Фантастическая электроника.

(В главное меню)

    Радиоэлектронная аппаратура непрерывно совершенствуется, берет на себя все более сложные функции и при этом часто сама сильно усложняется Лет тридцать - сорок назад в очень сложном электронном аппарате могло быть несколько тысяч деталей, а современные аппараты, в частности вычислительные машины, содержат миллионы и десятки миллионов деталей И если бы это были детали, какие выпускались лет тридцать назад,-электронные лампы, сравнительно большие резисторы и конденсаторы, то для размещения сложной электронной аппаратуры н^жны были бы, наверное, огромные многоэтажные дома, она весила бы сотни тонн, потребляла тысячи киловатт электроэнергии Вот лишь один из многих примеров электронное оборудование большого современного самолета, если бы оно было собрано на лампах, весило бы столько, что самолетике просто не мог бы подняться в воздух

    А вот другая проблема по мере усложнения электронной аппаратуры резко снижается ее надежность Как показала статистика, главная причина отказов, неисправностей-это соединительные цепи, соединения между элементами схемы, и чем больше элементов, тем чаще происходят отказы, меньше надежность Это проблема огромной важности, особенно если учесть, что электронике доверяют такие важные дела, как, например, управление космическим кораблем или контроль за ритмами больного сердца Взволнованно повествует о проблеме надежности старинная английская баллада

    Выпал гвоздь - и нет подковы, Нет подковы - нет копыта, Нет копыта - нет коня, Нет коня - и гибнет воин, Гибнет воин - нету войска, Нету войска - пало царство А виной один лишь гвоздь

    И наконец, третья важнейшая проблема электронной аппаратуры н^жно все больше и больше, аппаратура эта усложняется, и делать ее вручную уже просто невозможно Если бы при нынешних масштабах применения электроники изготавливать ее по технологии тридцати- или сорокалетней давности, то в электронной и радиопромышленности, наверное, должно было бы работать все население страны Здесь есть один только выход-автоматизация производства, создание такого оборудования, такой технологии, при которой основную работу делали бы машины, автоматы, а человек только следил бы за ними Но можно ли автоматизировать такие чисто человеческие операции, как сборка электронных схем, пайка, монтаж, налаживание?

    Применение интегральных схем - вот путь, двигаясь по которому можно одновременно решать все три проблемы добиваться резкого уменьшения габаритов и веса аппаратуры, повышать ее надежность и автоматизировать производство Интегральные схемы, или, как их часто называют, микросхемы,- это электронные блоки, плотность монтажа в которых в тысячи раз выше, чем в аппаратуре из дискретных элементов, то есть из отдельных деталей - резисторов, диодов, транзисторов ит д Сложный электронный блок, занимающий в традиционном исполнении целый шкаф, если его выполнить в виде интегральной схемы, может уместиться в тончайшем слое кремниевой пластинки размером с копейку, а весить доли грамма И надежность его будет очень высокой у интегральной схемы совсем иной принцип соединения «деталей», они как бы слиты в единую электрическую цепь, представляют собой единую схему и единую монолитную конструкцию Об этом напоминает само слово «интегральная», оно происходит от латинского «интегер», что означает «целый», «единый» Наконец, как это ни удивительно, но интегральные схемы по самой своей природе допускают автоматизацию производства эти невидимые микроскопические электронные блоки могут изготавливаться без какого-либо прикосновения к ним человеческой руки

    Первые интегральные схемы появились в 1958 году, но нельзя, конечно, считать, что микросхемы были созданы в один день - технология подошла к ним через многие другие свои достижения В частности, через печатный монтаж - изготовление соединительных проводов методом фотолитографии (Р-179) Через методы вакуумного напыления различных покрытий, например веществ с высоким удельным сопротивлением для создания резисторов (К-3, 2) И конечно же, самое важное достижение, приблизившее электронику к интегральным схемам,-это создание в 1948 году транзисторов Во-первых, появились действительно микроскопические усилительные приборы сам транзистор, без корпуса,-это кристаллик размером с песчинку, электронную лампу таких размеров трудно себе представить Но транзистор-песчинка - это далеко не предел, современные технологии позволяют делать транзисторы в тысячи раз меньших размеров Более того - ученые и технологи научились создавать в полупроводниковом кристалле и другие элементы очень малых размеров Так, например, рп-переход, если подать на него обратное постоянное напряжение (свободные заряды оттянуты от границы, между зонами р и п появился слой без свободных зарядов, Т-133), выполняет роль конденсатора А вводя в полупроводник донорные или акцепторные примеси и дозируя их определенным образом, можно создавать в кристалле резисторы с самым разным сопротивлением Раньше других начали широко применяться так называемые гибридные интегральные схемы - в них значительная часть элементов образована различными тонкими пленками, а активные элементы - транзисторы и диоды - это бескорпусные приборы-песчинки, соединенные с пленками в нужных местах В гибридной схеме из металлических пленок образованы соединительные проводники и обкладки конденсаторов, между этими обкладками находятся пленки диэлектрика, в виде тонких пленок выполнены резисторы (Р-180) Создаются эти пленки напылением тончайших слоев нужных материалов через своего рода трафареты - маски с фигурными окнами Постепенное совершенствование технологии позволило сделать следующий важный шаг - перейти к полупроводниковым интегральным схемам, где в одном кристалле создаются все элементы-транзисторы, резисторы, конденсаторы, соединительные цепи (Р-181) Существуют две основные группы полупроводниковых интегральных схем - с обычными биполярными транзисторами (это уже знакомые нам приборы с коллектором, базой и эмиттером) и униполярными, или, как их иначе называют, полевыми, транзисторами Эти полупроводниковые приборы по принципу действия и особенно по некоторым характеристикам похожи на электронные лампы Так, например, у полевых транзисторов, как и у ламп, высокое входное сопротивление, их управляющий электрод-он называется ^ке не базой, а затвором,- подобно сетке, влияет на ток «без касания», своим электрическим полем, и не имеет прямого контакта с эмиттером и коллектором - у полевого транзистора они называются, соответственно, истоком и стоком На основе полевых (униполярных) транзисторов появился огромный класс интегральных схем типа МОП, что расшифровывается так металл - окисел - полупроводник (окисел является диэлектриком, и поэтому МОП-структуры иногда называют МДП металл-диэлектрик-полупроводник) Структуры МОП-основа большинства интегральных схем для вычислительной техники, и в то же время полевые МОП-транзисторы благодаря некоторым важным достоинствам, таким, например, как высокое входное сопротивление и низкий уровень шумов, выпускаются в виде отдельных усилительных приборов (С-15.К-18)

    Знакомясь с конкретными интегральными схемами и их описанием в справочниках, кроме сокращений МДП и МОП, можно встретить и другие важные аббревиатуры, другие сокращения, такие, в частности, как ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика, ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика, КМОП - комплиментарные (дополняющие) МОП-структуры, ДТЛ - диод-транзисторная логика Мы не будем сейчас отвлекаться на эти подробности, а попробуем хотя бы в самых общих чертах познакомиться с существом дела - с устройством микросхем и технологией их изготовления

    Представим себе полупроводниковую интегральную схему, для начала не очень сложную В тонкой пластинке кристаллического кремния создано несколько диодов и транзисторов - несколько микроскопических областей с примыкающими зонами р-п, п-р-п или р-п-р Еще раз подчеркнем - все это образовано в едином кристалле, в определенные его микроучастки были введены необходимые примеси и таким образом созданы зоны п или р Подобным же образом, путем введения различных примесей, созданы в кристалле микроскопические резисторы и конденсаторы Теперь н^жно как-то соединить эти разрозненные «детали», превратить их в электронную схему Многие соединения, как^ке говорилось, осуществляются внутри кристалла, отдельные «детали» просто примыкают друг к другу Но многие соединения делаются снаружи в виде тончайшей паутинки напыленных проводов, чаще всего алюминиевых, а иногда серебряных Расположение деталей - однослойное, так что интегральная схема обычно уходит в глубь кристалла не больше чем на десятые доли миллиметра Правда, в последнее время в технических журналах пишут о создании двух- и даже трехэтажных интегральных схем, но все это пока, видимо, лишь первые шаги Зато в части уменьшения площади отдельных «деталей» имеются большие достижения (Слово «детали» приходится брать в кавычки потому, что в интегральной схеме нет деталей в привычном смысле слова, нет того, что можно было бы извлечь из схемы или заменить, с учетом этого полупроводниковые интегральные схемы долгое время называли монолитными, транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы, созданные в интегральной схеме, называют ее элементами ) В первые годы массового выпуска полупроводниковых интегральных схем их «детали» в среднем имели размеры 0,08-0,1 мм, то есть 80-100 мкм Несколько лет назад ^ке пришли к размерам 5-10 мкм, а сегодня типичный размер элемента - 3 мкм, 3 микрона! Чтобы такая трехмикронная деталь стала размером хотя бы с типографскую точку, н^жно всю микросхему увеличить до размеров большой книги И еще одна попытка пояснить, что такое элемент микросхемы размером 3 мкм Если среднюю по размерам букву на этой странице заполнить такими трехмикронными элементами, то их на территории этой буквы уместится чуть ли не целый миллион Конечно, эта цифра несколько превышает реальные возможности - многие детали н^жно располагать на некотором расстоянии от других Но даже с учетом этого плотность «монтажа» в современных БИСах, больших интегральных схемах (больших по количеству элементов), очень велика- в типичной кремниевой пластинке размером 5X5,2 мм (по размерам-это клеточка арифметической тетради) умещаются десятки тысяч элементов А в СБИСах, сверхбольших схемах, число элементов исчисляется сотнями тысяч - по числу «деталей» такая схема эквивалентна нескольким сотням телевизоров

    Десятки и сотни телевизоров в клеточке арифметической тетради - действительно какая-то фантастика! На рисунках Р-181 и Р-182 отмечены основные этапы создания интегральных схем Здесь один из центральных процессов - фотолитография В этот термин вошло слово «литография» (от греческих «лито» - «камень» и «графо» - «пишу»), название одного из старых способов печатания картин, где печатная форма создается на поверхности камня Фотолитография (от греческого «фотос»-«свет») основана на использовании светочувствительного материала-фоторезиста (Р-179, 6, 7, К-5. 14,15,16,17) Им покрывают кремниевую пластину, на которой будет создаваться микросхема, и освещают эту пластину через фотошаблон, через узор на фотопленке, состоящий из прозрачных и черных участков На фоторезисте в освещенных его участках появляется скрытое изображение, примерно такое же, как на фотопленке или фотобумаге А затем следует процесс, напоминающий проявление экспонированную (освещенную) пластинку кремния погружают в раствор, который удаляет фоторезист с освещенных участков-в слое фоторезиста, в тех его местах, куда фотошаблон пропускал свет, образуются окна, открывается доступ к кремнию Теперь в эти окна можно ввести примеси и начать формирование транзисторов и других элементов микросхемы Введение примеси чаще всего осуществляют за счет диффузии - кремниевую пластину помещают в вакуумную камеру, создают в этой камере пары нужной примеси, и эти пары на некоторую небольшую глубину проникают в пластину, но, разумеется, только в те ее участки, где в фоторезисте открыты окна Несколько раз повторяя этот процесс с разными фотошаблонами и разными примесями, формируют в кремниевой пластине участки с разными физическими свойствами, и именно таким образом появляются все элементы микросхемы

    А вот две главные особенности использования фотолитографии в технологии интегральных схем

    Первое можно изготовить довольно большой фотошаблон и, освещая кремниевую пластину через объектив, уменьшающий изображение (печатая снимки, вы пользуетесь фотоувеличителем, а здесь - фотоуменьшителем), создавать в фоторезисте окна микроскопических размеров

    Второе при фотолитографии в кремниевой пластине одновременно формируется огромное количество «деталей», например по две зоны р для каждого из десяти тысяч р-п-р транзисторов, и в результате нескольких последовательных технологических операций сразу рождается микросхема из многих тысяч элементов Более того, на одной кремниевой пластине одновременно создается несколько десятков микросхем, затем пластину разрезают и каждую микросхему устанавливают в отдельный корпус (Р-182) Все это можно сравнить с каким-то фантастическим станком, который, получив сырье в виде металла, резины и пластмассы, быстро выполняет несколько операций и сразу, как говорится, одним ударом, выдает несколько десятков полностью готовых автомобилей, собранных из многих тысяч деталей

    Интегральные схемы-это малые габариты и малый вес огромных когда-то электронных установок, это высокая надежность аппаратуры Но может быть, главное в том, что выпускаемые огромными тиражами интегральные схемы сделали сложные и совершенные электронные устройства во много раз более дешевыми и доступными - аппарат, который еще недавно стоил тысячи рублей, превратившись в интегральную схему, стал, грубо говоря, стоить рубль

    Возьмите, к примеру, электронные часы Все, что они умеют,-точный отсчет времени, календарь, секундомер, будильник, а иногда еще и микрокалькулятор-обеспечивает одна интегральная схема, по числу деталей она эквивалентна нескольким телевизорам Раньше, пожалуй, никто не рискнул бы использовать столь сложную систему в часах, так сказать, личного пользования Не говоря уже о том, что мы не стали бы носить с собой электронные часы, схема которых занимает целый чемодан А вот, превратившись в микросхему, электроника часов занимает территорию все той же арифметической клеточки, она весит меньше грамма, а главное-миллионными тиражами выпускается на заводах-автоматах и по стоимости вполне конкурирует с механическими часами

    Другой пример - кнопочный телефонный аппарат Слов нет, набирая нужный номер, гораздо удобнее нажимать кнопки, чем крутить телефонный диск Но за это удобство приходится довольно дорого платить - кнопочному номеронабирателю нщна электронная схема из нескольких тысяч деталей В этой схеме должен быть генератор сравнительно медленных импульсов, которые нужно послать в линию, сообщая о набранном номере (Т-111. Р-71), должна быть система ввода, при нажатии той или иной клавиши она сформирует сигнал из нужного числа импульсов, должна, наконец, быть память, так как вы можете нажимать кнопки очень быстро, а посылать импульсы в линию н^жно в строго определенном темпе, не спеша Поэтому набранный вами номер сразуже запоминается в триггерных ячейках и уже оттуда подается в линию Кстати, появление памяти позволяет ввести в аппарат очень удобное приспособление и не повторять каждый раз набор занятого номера, а извлекать его из памяти, нажав кнопку «Повтор»

    Кнопочный телефонный аппарат стал реальностью только после того, как вся его электроника, по числу деталей эквивалентная десятку приемников, превратилась в одну интегральную схему (отечественная МОП-схема К145ИК8П, вся серия К145 в основном предназначена для телефонных аппаратов разной сложности, в частности с разным количеством запоминаемых номеров)

    Первые микросхемы представляли собой просто несколько транзисторов с простейшими связями, затем в кристалле начали появляться узлы сложных схем, а сейчас в одном кристалле размещают сами эти сложные схемы целиком или почти целиком Так, например, в одной микросхеме почти целиком находится радиовещательный приемник (К-18. 14,15), или транзисторная память, в которую можно записать целую книгу, или, наконец, процессор вычислительной машины (Т-277), как его называют после превращения в одну интегральную схему, микропроцессор

    Вот уже несколько лет, как микропроцессоры перестали быть собственностью одних только ЭВМ Оставаясь первоклассным вычислителем или, точнее говоря, именно благодаря этому, микропроцессор стал универсальным управляющим устройством в системах автоматики Перед установкой или в процессе работы микропроцессор можно запрограммировать на решение самых разных задач - от управления токарным станком, стиральной машиной или автомобильным карбюратором до выработки команд коррекции орбиты в бортовой автоматике космического аппарата И хотя микропроцессор - это интегральная схема, в которой обычно несколько десятков тысяч элементов, стоимость его сравнительно невелика, и он становится самым активным, пожалуй, помощником человека в деле управления огромным миром работающей на нас техники

    Полупроводниковый диод был известен давно, чуть ли не в начале века, а транзистор, как мы уже упоминали, появился в 1948 году, за его создание группа американских физиков - У Шокпи.У БраттейниД Бардин - была Удостоена Нобелевской премии Но вот что интересно за много лет до этого, в 1922 году радиолюбитель из города на Волге - из Нижнего Новгорода девятнадцатилетний Олег Лосев создал первый в мире полупроводниковый усилитель, построил на его основе приемник и назвал его кристадин, от слова «кристалл» Причем это не было незамеченное или забытое потом изобретение - о кристадинах Лосева писала вся мировая радиотехническая печать, американские радиоинженеры в своем журнале назвали кристадин устройством, которое может совершить переворот в радиоэлектронике, вытеснить вакуумную усилительную лампу

    Такой переворот действительно произошел, но ждать его пришлось почти четверть века Потому, что во времена кристадина физика еще не построила фундамент, на котором потом выросла полупроводниковая электроника Только глубокие исследования физических процессов в твердом теле позволили в деталях понять, что же происходите полупроводниках, и только на основе этого понимания развилась вся современная техника полупроводниковых приборов и интегральных схем

    А вот еще один интересный пример В 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал индуцированное излучение атомов и молекул, то есть вызванное внешней причиной, а конкретно - внешней электромагнитной волной Но понадобилось почти сорок лет, чтобы это предсказание, соединившись с глубоким изучением механизмов перехода атомов с одного энергетического уровня на другой, то есть механизмов изменения запасов энергии атома, привело к рождению совершенно новой области науки и техники - квантовой электроники Когда атом или молекула переходят на более низкий энергетический уровень, то они отдают высвободившуюся энергию в виде кванта, порции электромагнитного излучения При этом если выделяется большая порция энергии, то частота излучения высокая (малая длина волны) - излучается свет, ультрафиолетовые или еще более коротковолновые рентгеновские лучи А если порция энергии невелика, если молекула выбрасывает слабый квант (Т^), то частота излучения сравнительно низкая (большая длина волны) - молекула испускает инфракрасные лучи, миллиметровые или даже сантиметровые радиоволны Можно извне подпитывать атомы излучающего вещества, накачивать их энергией, например пропуская через это вещество ток или освещая его мощной лампой Можно ввести в систему достаточно сильную положительную обратную связь, грубо говоря, сделать так, чтобы излучение одних атомов возвращалось в излучающее вещество, заставляло излучать другие атомы Такое индуцированное излучение и накачка энергией приведут к возникновению квантового генератора - атомы вещества будут согласованно излучать электромагнитные волны, причем одной, строго определенной частоты, она определится конкретным переходом излучающих атомов (молекул) с одного энергетического уровня на другой Первые квантовые генераторы были созданы советскими физиками, ныне академиками Н Г Басовым и А М Прохоровым и независимо американцем Ч Таунсом - все они за эту работу отмечены Нобелевской премией Первенцем в семействе приборов квантовой электроники был мазер (в этом сокращении буква «м» от слова «микроволны»-первый квантовый генератор работал в диапазоне сантиметровых радиоволн), а через несколько лет появились и оптические квантовые генераторы-лазеры (буква «л» от английского «лайт»-«свет») К созданию реальных квантовых генераторов ученые пришли через глубокое изучение процессов взаимодействия излучения с веществом-они занимались радиолокацией, а затем радиоспектроскопией, исследованием состава вещества по частоте излучения его атомов и молекул

    Что должны продемонстрировать эти два примера человеку, начинающему свой путь в практическую электронику'? Прежде всего то, что он приобщается не просто к интересной области технического любительства, а к области, вобравшей в себя многие замечательные достижения фундаментальной науки Это должно радовать и предостерегать - в нынешней электронике трудно, видимо, случайно сделать что-то новое и интересное В этой области творчески может работать только очень грамотный человек, глубоко понимающий существо дела

    Фантастическая электроника Удивительное совершенство приборов и методов, удивительные возможности вычислять, измерять, управлять, действовать, перерабатывать информацию в недоступных для человека объектах и с недоступными для него скоростями Удивительные планы и перспективы

    Так имеет ли смысл на фоне всего этого заниматься такими пустяками, как транзисторные приемники прямого усиления или звукоуправляемые игрушки1? Стоит ли тратить время на вчерашний день электроники, на дискретные схемы, когда скоро любая аппаратура будет представлять собой всего лишь несколько микросхем, внутрь которых не влезешь ни для того, чтобы отремонтировать, ни для того, чтобы усовершенствовать электронный аппарат1?

    Ответ представляется очевидным не просто полезно, но и необходимо заниматься началами электроники - типичными простыми схемами, способами обработки сигналов, основными законами электрических цепей, конструированием простейших «живых» электронных приборов Прежде всего эти занятия очень интересны, именно они дают возможность познавать сложное на простых объектах, возможность самому искать, ошибаться, задумываться, находить решение, радоваться удаче И именно эти занятия воспитывают в человеке многие полезные качества, о которых речь шла в самом начале {ТА), - собранность, аккуратность, организованность, умение работать, уважение к труду И еще - находчивость, изобретательность, умение логически мыслить, смелость

Тем, для кого электроника просто хобби, просто увлечение, уже нескольких этих «за» достаточно, чтобы уважительно относиться к предоставленным в этой электронной книге простым схемам и начальным сведениям об основах электротехники и электроники Но и тот, кто хочет выбрать электронику своей основной профессией, не должен смотреть с пренебрежением на азбуку электронных схем Потому что к вершинам знаний человек поднимается постепенно и последовательно, ступенька за ступенькой, шаг за шагом И путь к электронным микроскопам и радиотелескопам, к микрокомпьютерам и космическим роботам, ко всей этой фантастической электронике обязательно приходят через основы наук, приходят через простые схемы и приборы, с которыми познакомила вас эта электронная книга

(В главное меню)