Развитие полупроводниковых элементов управления

Опубликовано в номере:
PDF версия
Диффузионная и планарная технологии производства транзисторов создали предпосылки для изготовления сложной электрической схемы в виде гибридной или монолитной интегральной микросхемы на основе изобретений Килби и Нойса.
Александр Микеров, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Бурное развитие полупроводниковых элементов управления началось после Второй мировой войны в результате изобретения в американской лаборатории Bell Labs сначала точечного, а затем и биполярного транзисторов [1, 2]. Точечные транзисторы выпускались недолго и в конце 1950-х гг. были вытеснены во многом превосходящими их биполярными транзисторами, предложенными Уильямом Шокли. Дальнейшее развитие полупроводниковых технологий привело к созданию микроэлектроники, наиболее востребованными элементами которой стали интегральные схемы. Их появлению мы обязаны прежде всего работам американских ученых и инженеров Жана Эрни (Jean Hoerni), Курта Леговца (Kurt Lehovec), Джека Килби (Jack Kilby) и Роберта Нойса (Robert Noyce) (рис. 1) [3, 4].

Слева направо: Нойс, Эрни, Килби и Леговец

Рис. 1. Слева направо: Нойс, Эрни, Килби и Леговец

С 1957 г. биполярные транзисторы изготавливались с помощью диффузионной технологии, также созданной в Bell Labs [5]. Например, для p-n-p-транзистора полупровод­никовая пластина (чип) p-типа помещалась в камеру с газом, содержащим примесь мышьяка, и в результате за счет диффузии ее поверхность покрывалась слоем n-типа, образовав p-n-переход коллектор — база [3, 6, 7]. Затем с помощью шаблона проводилась вторичная диффузия в среде бора для образования p-n-перехода эмиттер — база. Более усовершенствованной была технология изготовления меза-транзистора (рис. 2а) [4].

Транзисторы: меза-транзистор и планарный

Рис. 2. Транзисторы:
а) меза-транзистор;
б) планарный

Такой транзистор создавали, например, из чипа p-типа, служащего в дальнейшем коллектором К (припаянным к теплоотводу корпуса), который покрывался методом диффузии слоем n-типа (база Б). Поверх него с помощью маски наносились алюминиевые полоски, формирующие после нагрева p-n-переход эмиттера (Э). Поверхность базы вокруг эмиттера протравливалась, при этом оставались бугорки (столики, исп. mesa), к которым было удобно припаивать выводы транзистора [4, 5, 7].

Для доведения этой технологии до массового производства кремниевых транзисторов Шокли и создал в 1956 г. собственную лабораторию в Пало-Альто (Калифорния, США) [2, 3, 5]. Однако по настоянию самого Шокли основным занятием лаборатории стали не приносящие непосредственного дохода научные исследования по динистору и полевому транзистору. Это послужило причиной увольнения уже через год восьми ведущих специалистов («вероломная восьмерка»), включая Нойса, Эрни, Гордона Мура (Gordon Moore) и др., образовавших новую компанию Fairchild Semiconductors (Fairchild), целью которой стал коммерческий выпуск кремниевых меза-транзисторов.

Момент оказался весьма благоприятным, потому что спустя месяц, 4 октября 1957 г., Советский Союз запустил первый спутник Земли. Начиналась военно-космическая гонка, на старте которой выяснилось, что тяга американских ракетных двигателей ниже советских, поэтому в США ставка была сделана на микроминиатюризацию аппаратуры [8]. Транзисторы пользовались огромным спросом, и новая компания уже через год получила заказ на сто транзисторов по цене $150 за штуку от компании IBM, проводившей модернизацию компьютерного оборудования бомбардировщика B-52. Вскоре Fairchild стала прибыльной и в 1961 г. получила от компании Autonetics огромный заказ на комплектацию стартового компьютера межконтинентальной баллистической ракеты Minuteman с высочайшими требованиями к надежности и мгновенной готовности, что исключало возможность применения электронных ламп [3, 5].

Первоначально в этом компьютере намеревались использовать кремниевые меза-транзисторы, однако испытания первой партии в составе аппаратуры выявили много отказов, вызванных тем, что, как видно из рис. 2а, оба p-n-перехода никак не защищены и подвергались в процессе производства загрязнению. Решение проблемы было найдено одним из восьмерки — гениальным физиком и технологом Эрни (1924–1997) [3, 5, 7].

Он родился в Швейцарии и дважды получил докторскую степень по физике — в Женевском и Кембриджском университетах. Эрни воспользовался технологией покрытия полупроводника окисью кремния (SiO2), разработанной в Bell Labs выходцем из Египта Мухамедом Аталла (Mohamed Atalla) [2, 3, 9]. Эта технология была создана для борьбы с эффектом поверхностного состояния полупроводника, открытого Бардиным, что и привело в результате к практической реализации в 1959 г. идеи полевого транзистора, над которой Шокли безуспешно бился начиная с 1939 г. [1, 2].

Окись кремния создавала тончайшее и очень прочное покрытие с огромным сопротивлением, обеспечивающим надежную изоляцию чипа. С ее помощью Эрни разработал запатентованную в 1957 г. так называемую планарную технологию изготовления транзистора (рис. 2б), в котором все p-n-переходы надежно изолированы от окружающей среды [3, 5, 7, 8, 9]. После изобретения транзистора эта технология была самым крупным шагом в развитии полупроводников, и ее преимущества были настолько очевидны, что вскоре и другие компании переняли планарную технологию, важную составляющую будущих интегральных схем.

В 1952 г. английский электронный инженер Джеффри Даммер (Geoffrey Dummer), работавший в радиолокационном учреждении министерства обороны, выступил на симпозиуме по электронике в США с предложением реализовать на одном чипе не только транзисторы, но и все остальные элементы электрической схемы (резисторы и конденсаторы), а также соединения между ними, превратив таким образом всю электрическую схему в единое твердое тело [5, 7, 8]. Он даже, хоть и безуспешно, попытался создать макет такой интегральной схемы в виде триггера с четырьмя транзисторами, однако не запатентовал его и не получил поддержки ни от министерства обороны, ни от английских компаний, избегавших финансовых рисков.

Совсем иначе реагировали американские компании. В 1953 г. Харвик Джонсон (Harwick Johnson) из компании RCA запатентовал генератор, содержащий на чипе транзистор Т — с эмиттером (э), базой (б) и коллектором (к) — и линию задержки (ЛЗ), на двух резисторах и конденсаторе, соединенную с базой транзистора (рис. 3) [3, 4, 7, 8].

Генератор Джонсона

Рис. 3. Генератор Джонсона

Однако технологический процесс изготовления такого чипа не был описан, не был решен вопрос изоляции отдельных элементов и не было сообщено о создании макета.

Действующий макет подобного генератора был впервые продемонстрирован лишь спустя пять лет американским ученым Джеком Килби (1923–2005), получившим в 1947 г. магистерскую степень университета штата Висконсин [3, 5, 7, 8, 9]. В 1958 г. он был нанят в разгар летних каникул компанией Texas Instruments в Далласе, и ему была предоставлена полная свобода в выборе занятий в пустой лаборатории. Уже осенью он продемонстрировал руководству компании макет генератора колебаний в виде германиевого чипа размером 10×1,6 мм, на котором были сформированы транзистор (T), конденсатор (С1) и три резистора R1–R3 (рис. 4) [4]. Соединения элементов выполнялись золотыми проволочками. Предложение было с энтузиазмом поддержано руководством, в начале 1959 г. был оформлен патент, и уже через год выпущена первая коммерческая интегральная схема триггера.

Генератор Килби

Рис. 4. Генератор Килби

Однако это была еще не монолитная, а гибридная интегральная схема, поскольку сам германиевый чип включал только три резистора, один электрод транзистора и обкладку конденсатора. Таким образом, не была решена проблема соединения элементов и их изоляции друг от друга, которую предполагалось выполнять механическим разделением (травлением) участков чипа. В следующем году Килби изготовил улучшенную интегральную схему триггера диаметром 1 см, выпущенную малой серией [8]. Он также стал известен как изобретатель карманного калькулятора и термопринтера.

В 1959 г. способ электрической изоляции был запатентован сотрудником американской компании Sprague Куртом Леговцем (1919–2012) [3, 4, 7, 8]. Он родился в Чехии, получил докторскую степень Пражского университета и в 1947 г. был вывезен в США с группой немецких ученых. Выйдя на пенсию, он стал поэтом. Его идея состояла в том, что p-n-переход (особенно при обратном включении) может служить хорошим изолятором [6]. На рис. 5 показан трехкаскадный усилитель входного сигнала, который был изготовлен на германиевом чипе размером 2,2×0,1 мм, содержащем три p-n-p-транзистора (со слоями: эмиттер (э), база (б) и коллектор (к)), включенных по схеме с общим эмиттером, и четыре резистора R1–R4. Базы транзисторов отделены от резисторов слоями полупроводника p-типа (розовым) и n-типа (голубым), образующих p-n-переходы. Как и у Килби, соединения элементов и подключение питания Uпит выполнялись золотыми проводниками [4].

Усилитель Леговца

Рис. 5. Усилитель Леговца

Создание монолитной интегральной схемы завершил руководитель Fairchild Роберт Нойс (1927–1990), обаятельный человек, неохотно говоривший «нет» и получивший в 1949 г. докторскую степень по физике Массачусетского технологического института [3, 4, 5, 7, 8, 9]. Стремясь не упустить лидерство компании в полупроводниковых технологиях, он вскоре после открытия Килби учредил специальную исследовательскую группу и в конце 1959 г. запатентовал интегральную технологию, в которой развил идею Килби, дополнив ее методом изоляции p-n-переходов Леговца, планарной технологией Эрни и способом соединения участков полупроводника печатными алюминиевыми полосками. «Однажды все кусочки сложились», вспоминал впоследствии Нойс [3].

Интегральный триггер

Рис. 6. Интегральный триггер

Способ соединения участков (элементов) чипа с помощью фотолитографии разработали в 1957 г. Джим Налл (Jim Nall) и Джей Латроп (Jay Lathrop) в лаборатории армии США Diamond Ordnance Fuze Laboratories [3, 5]. Вскоре Налл перешел в Fairchild, а Латроп — в Texas Instruments, что ускорило внедрение этой технологии. Она, подобно методу изготовления печатных плат, состоит в том, что на поверхность чипа, покрытую изолирующим слоем двуокиси кремния, наносится фотографией с помощью шаблона необходимый рисунок отверстий для доступа к элементам пластины, которые затем протравливаются, после чего методом металлизации соединяются алюминиевыми дорожками. На рис. 6 и 7 показаны первая интегральная схема триггера, созданная в Fairchild по этой технологии весной 1960 г., и ее коммерческий вариант размером 0,96×1,2 мм из набора логики Micrologic, выпущенного в 1961 г. [3, 5, 7, 8].

Элемент Micrologic

Рис. 7. Элемент Micrologic

Большим достижением Fairchild было создание в начале 1960-х гг. линейных интегральных схем (операционных усилителей) mA700–mA741, разработку которых начал в 1963 г. талантливый американский инженер из семьи выходцев из Чехии Роберт Видлар (Robert Widlar), окончивший университет штата Колорадо (1937–1991) [3]. Отечественным аналогом этих схем, выпускаемым до сих пор, является операционный усилитель 140УД7. Эта интегральная схема в корпусе диаметром 8,5 мм c коэффициентом усиления 100 тыс. содержит 35 элементов, включая 20 транзисторов.

Таким образом, с начала 1960-х гг. уже несколько компаний в США начали массовое производство интегральных схем, а в 1963 г. интегральная схема логики Texas Instruments впервые работала в космосе на американском спутнике Земли [5, 7, 9]. В 1969 г. интегральные схемы были использованы и в бортовом компьютере лунного модуля американской программы «Аполлон». Все они базировались на важнейших патентах: Bell Labs на транзисторы, Fairchild на планарную технологию Эрни и интегральную схему Нойса, Texas Instruments на интегральную схему Килби и Sprague на способ изоляции Леговца. Bell Labs сразу начала открытую продажу своих лицензий за небольшую плату [1, 3], а среди остальных компаний возникли судебные процессы о патентных правах, которые завершились к 1967 г. заключением взаимных лицензионных соглашений. Другие компании, включая иностранные, были вынуждены выплачивать огромные роялти. Например, Texas Instruments получила в 1993 г. $520 млн от японских компаний только за патент Килби [4].

Что касается научных заслуг, историки признают наибольший вклад в открытие интегральных схем Килби и Нойса, однако Нобелевская премия была присуждена в 2000 г. только Килби [3, 5, 7, 9]. Согласно воле Нобеля, к сожалению, Нойс не мог быть номинирован, поскольку к тому времени его уже не было в живых. К тому же есть мнение, что только открытие транзистора (транзисторного эффекта) является действительно научным достижением, достойным этой великой премии, тогда как интегральные схемы отражают скорее не научный, а технологический прогресс [4].

В Советском Союзе первая гибридная интегральная схема была создана Юрием Валентиновичем Осокиным в 1962 г. на Рижском заводе полупроводниковых приборов [7, 8]. Не имея доступа к деталям работы Килби и Нойса, он разработал оригинальную микросхему Р12-2 диаметром 3 мм, содержащую два германиевых меза-транзистора и два резистора, серийное производство которой началось в 1965 г. На базе этих микросхем в Ленинградском НИИРЭ (ныне «Ленинец») были сконструированы микромодули «Квант» для бортовой ЦВМ «Гном» радиолокатора «Купол», выпускавшиеся почти 30 лет. Однако из-за режима секретности основные технические решения не были опубликованы и запатентованы до 1966 г. Огромный вклад в развитие микроэлектроники в СССР внесли талантливые американские инженеры Филипп Георгиевич Старос и Иозеф Вениаминович Берг, бежавшие из США в начале 1950-х гг. Под их руководством в том же НИИРЭ в 1962 г. на базе гибридно-пленочных микросхем была создана малогабаритная управляющая машина УМ1-НХ [7]. Их деятельность подробно освещена в статьях и книгах одного из ведущих участников разработки Марка Петровича Гальперина [10]. Вершиной развития микроэлектроники прошлого века стало появление в 1971 г. первого микропроцессора 4004 компании Intel, основанной Нойсом и Муром в 1968 г. [9].


  • Полупроводниковый элемент управления на одном чипе прошел четвертьвековой путь развития от точечного транзистора 1947 г. до интегральных схем 1959 г. и микропроцессора 1971 г.
  • Первым шагом на этом пути стала планарная технология изготовления биполярного транзистора Эрни (1957 г.).
  • Важнейшими изобретениями были способы изоляции элементов чипа p-n-переходами Леговца (1959 г.) и фотолитографический метод их соединения, созданный Наллом и Латропом в 1957 г.
  • В 1959 г. эти изобретения были реализованы в интегральных схемах Килби в гибридном исполнении и Нойса — в монолитном исполнении. Данные схемы и позволили создать первый микропроцессор.
Литература
  1. Микеров А. Г. Рождение точечного транзистора // Control Engineering Россия. 2020. № 6 (90).
  2. Микеров А. Г. Уильям Шокли — отец транзисторной электроники // Control Engineering Россия. № 2 (92).
  3. Lojek B. History of Semiconductor Engineering. N. Y.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Invention_of_the_integrated_circuit.
  5. computerhistory.org/siliconengine/timeline. /утерянная ссылка/
  6. Микеров А. Г. Первые полупроводниковые приборы // Control Engineering Россия. 2020. № 5 (89).
  7. Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций: на пути к информационному обществу: История развития электроники в XX столетии. М.: Либроком, 2012.
  8. Малашевич Б. М. Первые интегральные схемы.
  9. Maloberti F., Davies A. A Short History of Circuits and Systems. Aalborg: River Publishers, 2016.
  10. Гальперин М. П. Они вдохнули жизнь в советскую микроэлектронику (к 100-летию Филиппа Староса) // Control Engineering Россия. 2017. № 3 (69).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.