Страница 8 из 22
• ФИ АН СССР (Б. М. Вул, А. В. Ржанов);
• ЦНИИ-108 (С. Г. Калашников, Н. А. Пенин, директор А. И. Берг);
• НИИ-160 (А. В. Красилов и С. Г. Мадоян).[6]
Bell Labs, – и это очень примечательно, – решилась на необычный маркетинговый ход. В сентябре 1951 г. ее руководство объявило, что полностью передаст права на изготовление биполярных транзисторов всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 тыс. долларов вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы. Лицензию приобрели 26 компаний. Среди них были не только крупные фирмы (Motorola, IBM, General Electric), но и малоизвестные, например, Texas Instruments. Более ста представителей от каждого покупателя лицензии в апреле 1952 г. были приглашены на симпозиум по транзисторным технологиям. Восемь дней специалисты Bell Labs работали с посетителями с утра до вечера. Все материалы симпозиума на следующий год были опубликованы в книге «Транзисторная технология», которая впоследствии получила ласковое прозвище – Mother Bell’s Cookbook («Поваренная книга матушки Белла»).[7]
В 1954 г. Bell Labs по заказу американских военно-воздушных сил выпустила первую в мире полностью полупроводниковую ЭВМ под названием TRADIC (Ttransistorized Airborne Digital Computer). Данная машина (производительность 1 млн. логических операций в секунду) устанавливалась на борту стратегических бомбардировщиков для расчета оптимальных параметров навигации и бомбометания. В ее конструкции было использовано 700 транзисторов и 10 000 диодов, изготовленных из германия (Ge).
Первый специализированный институт полупроводниковых приборов в Советском Союзе был создан в июне 1953 г. по инициативе А. И. Берга, М. Г. Первухина, отчасти – А. Ф. Иоффе и Б. М. Вула. Серийное производство полупроводниковых приборов (точечные и плоскостные диоды), началось в 1955 г. на ленинградском заводе «Светлана».[8]
Первоначально технология изготовления полупроводниковых приборов была полукустарной. Выращенные кристаллы германия резали на маленькие пластинки, которые служили базой. Эмиттер и коллектор создавали, накладывали маленькие кусочки индия на пластинки германия, и быстро нагревали их до 600 градусов Цельсия. При этой температуре индий сплавлялся с находящимся под ним германием. При остывании насыщенные индием области приобретали проводимость p-типа. На завершающей операции кристалл помещали в корпус и присоединяли выводы.
Для массового производства такая технология не годилась, и скоро были придуманы средства комплексной механизации. Тонкие круглые германиевые пластинки диаметром до 2,5 мм, протравленные кислотой, загружались специальным виброустройством в многогнездный держатель. Индиевые шарики засыпались в так называемый «распределитель», который раскладывал их по одному шарику на каждую пластинку, и затем все устройство перемещалось через водородную печь. Водород требовался для очистки поверхности германия от окисла, чтобы индий хорошо ее «смачивал». Длительность обработки в печи и температуру подбирали так, чтобы толщина базы составляла примерно 0,025 мм. Далее поверхность германия стабилизировали легким протравливанием в щелочном растворе. Затем транзисторы высушивали в нагретом воздухе с контролируемой влажностью и герметизировали, помещая в каждый корпус по крупинке пористого стекла.
В апреле 1954 г. Гордон Тил (Gordon Teal), инженер американской компании Texas Instruments, разработал первый в мире образец кремниевого сплавного транзистора. Промышленное производство новых изделий началось менее чем через месяц. Рабочая температура транзисторов поднялась до 125–150 градусов Цельсия, и кроме того кремниевые приборы оказались значительно стабильнее и надежнее германиевых.
Сплавная технология имела ряд принципиальных недостатков, обусловленных трудностями управления процессом внедрения примесей. В 1955 г. в Bell Labs был создан диффузионный германиевый транзистор. Метод диффузии состоит в том, что пластинки полупроводника помещают в атмосферу газа, содержащего пары примеси (сурьмы), которая должна образовать эмиттер и коллектор, и нагревают до температуры, близкой к точке плавления. Атомы примесей при этом постепенно проникают в полупроводник. В результате применения данной технологии появилась практическая возможность создавать транзисторы с толщиной базы 0,2–0,3 мкм.
В 1957 г. General Electric Company выпустила первые промышленные образцы тиристоров – четырехслойных полупроводниковых диодов, которые заменили дорогостоящие и крупногабаритные ртутные выпрямители переменного тока. Достаточно сказать, что ртутный выпрямитель на 1000 ампер имел массу 300 кг, а тиристор на тот же ток вместе с охладителем – всего 5 кг. В дальнейшем тиристоры нашли применение в блоках питания, генераторах, инверторах и зарядных устройствах. В СССР тиристоры начали выпускаться с 1961 года.[9]
В 1958 г. во многих странах проводились работы по созданию диффузионных транзисторов с мезаструктурой (от исп. mesa – плато), при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника. Важной особенностью данной технологии явилась возможность изготовления сотен транзисторов на одной пластине.
В 1959 г. Джин Хорни (Jean Hoerni), инженер американской компании Fairchild Semicondactor, запатентовал технологию производства кремниевых биполярных транзисторов, при которой диффузия локализуется, а для остальной части поверхности пластины создается маска из диоксида кремния. Ее (технологии) уникальность состояла в возможности создавать на поверхности кремниевой пластины методом фотолитографии топологические рисунки (шаблоны) различных областей с различным типом или величиной проводимости, а затем внедрять в заготовку различные примеси и выращивать изолирующие слои. В истории электроники эта технология также известна под названием планарной (англ. planar – плоскость).
Появление планарной технологии вызвало качественный сдвиг в полупроводниковой электронике. Возможность точного проектирования геометрических конфигураций p – n-переходов, их взаимного расположения, а также защита мест выхода p – n-переходов на поверхность от внешних влияний – вот, те основные черты, которые обеспечили планарной технологии блестящее будущее.
Уникальные свойства кремния для литографии и выращивания изоляционных слоев предопределили судьбу германия, который постепенно вышел из состава сырьевой базы промышленной электроники.
Технологическая цепочка по производству полупроводникового кремния состоит из следующих звеньев: 1) добыча кварцевого песка; 2) получение поликристаллического (металлургического) кремния; 3) выращивание монокристаллов; 4) получение пластин необходимого диаметра и физических свойств, – и требует сложного и дорогостоящего оборудования.
Более 80 % кристаллов кремния получают методом Чохральского, названным в честь польского химика начала XX века. Однажды он нечаянно уронил в тигель с расплавленным оловом металлическое перышко. Медленно вытаскивая его, чтобы не обжечься, ученый заметил, что перо тянет за собой нитку застывающего олова. Оказалось, что она представляет собой монокристалл. Почти полвека никто не вспоминал о Яне Чохральском (1885 – 1953). Наконец в 1950 г. в США его методом, впервые, были успешно выращены монокристаллы германия, а затем кремния.
Если донорские и акцепторные примеси, введенные в расплав кремния, таковы, что одни из них больше «предпочитают» твердую фазу, чем другие, то при вытягивании кристалла с чередованием ускорения и замедления можно создавать чередующиеся слои n- и p-типа, и в одном слитке получать множество транзисторных слоев с заданной топологией.
6
См.: Стафеев В. И. Начальные этапы становления полупроводниковой электроники в СССР (К 60-летию открытия транзистора)//Физика и техника полупроводников, 2010. Т. 44. Вып. 5.
7
The Improbable Years// Electronics, 1968, 19 February.
8
Щука А.А… Вехи развития отечественной интегральной электроники// ИИЕТ РАН. Годичная научная конференция 2004 г. М.: Диполь-Т, 2004. С. 676.
9
Королев Ю. Н. Тиристоры. – М.: Знание, 1968.