Развитие полупроводниковых элементов управления

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].

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].

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].

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.

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 U_пит выполнялись золотыми проводниками [4].

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].

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].

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.