Приключения радиолуча

Смесителем же может быть любой нелинейный элемент: и диод, и электронная лампа, и транзистор. Мы уже знаем, что нелинейность обогащает частотный спектр сигналов, которые подаются на нелинейный элемент. Надо только среди рожденных нелинейностью новых частот отфильтровать интересующую нас разностную частоту.

«Суперы» не сразу покорили мир. Мешал французский патент, отчасти монополизировавший их промышленное производство. Правда, для радиолюбителей он не служил помехой, а в профессиональной сфере с ним вынуждены были считаться. Сложны были «суперы» и в настройке — приходилось крутить сразу две ручки: настройки входных контуров и гетеродина. Лишь потом их совместили.

В начале 30-х годов срок действия патента истек и началось победное шествие супергетеродинов, которое продолжается и в наши дни…

ОТ ТРАНЗИСТОРА ДО ЧИПА

1 июля 1948 года, на следующий день после того, как фирма «Белл телефон лабораториз» объявила об изобретении нового прибора — транзистора, только газета «Нью-Йорк тайме» откликнулась на это событие. На предпоследней странице в колонке «Новости радио» самой последней стояла следующая короткая заметка:

«Вчера фирма «Белл телефон лабораториз»… впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», который в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп.

Прибор был продемонстрирован в схеме радиоприемника, не содержавшей обычных ламп. Было также показано его применение в телефонной системе и в телевизионном устройстве, управляемом с помощью приемника, расположенного на нижнем этаже. В каждом из этих случаев транзистор использовался в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может использоваться и в качестве генератора, способного создавать и передавать радиоволны.

Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 миллиметров, не содержит полости (из которой откачан воздух), сетки, анода или стеклянного корпуса, предохраняющего от попадания в прибор воздуха. Он начинает работу мгновенно, без задержки на разогрев, так как в отличие от радиолампы в нем нет накала.

Рабочие элементы прибора состоят всего лишь из двух тонких проволочек, подходящих к кусочку твердого полупроводникового материала величиной с булавочную головку, приплавленному к металлическому основанию. Вещество, помещенное на металлическое основание, усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток».

Первый транзистор по внешнему виду напоминал радиолампу. Видимо, сказалась приверженность человеческого глаза к привычным формам. Не потому ли и первые автомобили были похожи на кареты и дилижансы?

Авторами изобретения были американские ученые Д. Бардин и У. Браттейн, получившие патент. Они работали под руководством Шокли, и его теоретические разработки сыграли не последнюю роль в открытии. Поэтому всем троим в 1956 году присуждена Нобелевская премия по физике за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта. Кстати, Бардин в 1972 году получил и вторую Нобелевскую премию за работы в области сверхпроводимости, он также был удостоен высшей награды АН СССР — золотой медали имени М. В. Ломоносова за 1987 год.

Фирма только спустя семь месяцев объявила об открытии своих сотрудников. Во-первых, потому что сами изобретатели еще полностью не уяснили, что же такое транзисторный эффект. Во-вторых, надо было показать изобретение военным и решить с ними — следует ли его секретить. Затем подать заявку на патент и написать научную статью и еще оставалось сделать не менее главное — дать название новому прибору.

Бардин и Браттейн хотели подобрать термин, сходный с «варистором», «термистором» (полупроводниковые  приборы, сопротивление  которых меняется в зависимости, соответственно, от напряжения и температуры), но не могли найти подходящего слова. Изобретателям помог известный специалист по радиоэлектронике и ее популяризатор Дж. Пирс. Он считал, что в названии должен найти отражение основной, как это казалось в то время, параметр прибора — его переходное сопротивление. По-английски оно звучит как «транзистенс». Поэтому Пирс и подсказал назвать новый прибор транзистором.

Если «транзистор» — термин, изобретенный в середине XX века, то слово «полупроводник» было в ходу уже в XIX веке. В учебнике 1826 года «Начальные основания опытной физики», написанном Иваном Двигубским, есть такие слова: «Английский физик Кавендиш опытами доказал, что вода проводит электричество в 400 миллионов раз хуже металла; невзирая на сие, она еще не совсем худой проводник электричества. Тела, кои в рассуждении способности проводить электричество, занимающие как бы среднее место между проводниками и непроводниками, обыкновенно называются полупроводниками».

А теперь откроем последний Советский энциклопедический словарь и прочитаем значение слова «полупроводники»: «Вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов… и диэлектриков…» Как мы видим, несмотря на более чем 150-летнюю временную дистанцию, формулировки весьма схожи.

В 1821 году немецкий физик Томас Зеебек под впечатлением опытов Эрстеда провел следующий эксперимент. Он припаивал друг к другу два разнородных металла и соединял их медным проводником, а внутри петли, образованной проводником, помещал магнитную стрелку. При нагреве места спая магнитная стрелка отклонялась. Значит, нагретый спай служил источником электрического тока. Когда одним из элементов спая были теллур, сульфид свинца и некоторые другие материалы, стрелка реагировала более энергично. Через сто лет такие вещества станут называться полупроводниками. Пожалуй, это был первый сигнал о наличии у полупроводников необычайных свойств.

«Термоэлектрический эффект» — так окрестили впоследствии данное явление. На его основе в 1940 году в Ленинградском физико-техническом институте пол руководством Ю. П. Маслаковца была собрана и испытана первая экспериментальная полупроводниковая термобатарея. Материалом у нее (как и в опыте Зеебека) служил сульфид свинца.

В 1833 году Майкл Фарадей столкнулся с необычной ситуацией: он заметил, что электропроводность сульфида серебра растет с повышением температуры (у металлов все происходит наоборот). «…Если поискать, то можно будет найти немало таких веществ», — прозорливо заметил Фарадей. И действительно, впоследствии он обнаружил еще ряд образцов с необычной зависимостью сопротивления от температуры — одной из характерных особенностей полупроводников.

В 1873 году было открыто еще одно их свойство. Инженер-электрик из Лондона У. Смит объявил, что при освещении селен, химический элемент, открытый еще в начале века, изменяет свою электропроводность. Сам инженер занимался испытанием подводного телеграфного кабеля, для изоляции которого применялся селен. В расплавленном состоянии он застывал, образуя стекловидную массу с очень большим сопротивлением. Наблюдательный помощник Смита заметил, что на свету сопротивление селена становится меньше, чем в темноте. Сообщение вызвало живейший интерес. Физики бросились воспроизводить опыт и обнаружили, что селен, названный так в честь Луны, чувствителен даже к ее свету.

Свойству селена изменять свое сопротивление в зависимости от падающего света нашел интересное применение Грэхем Белл. Тот самый Белл, в честь которого названа логарифмическая единица отношений двух одноименных физических величин — бел. Правда, на практике мы сталкиваемся с более мелкой величиной: одной десятой бела — децибелом.

Так вот, Белл придумал прибор, передававший звук на большое расстояние при помощи светового луча, и назвал его фотофоном. Принцип действия прибора состоял в следующем. Гибкое плоское зеркало освещалось сильным источником света так, что отраженный луч попадал на приемном конце на линзу, фокусировавшую свет на селеновую пластинку, соединенную с батареей и телефоном. При передаче звук, направленный на заднюю поверхность зеркала, заставлял его колебаться. В такт с колебаниями «дрожал» и световой луч, а от этого менялась и освещенность селеновой пластины.

В цепи телефона возникали колебания электрического тока звуковой частоты, и речь отлично воспроизводилась в наушниках. Но фотофон быстро сошел со сцены: не выдержал соперничества с другим, более удачливым детищем Белла — телефоном.

Как говорят, все повторяется. Через сто лет на более высоком уровне — в лазерном исполнении — этот принцип возродился. В частности, в подслушивающих лазерных устройствах. Оконное стекло комнаты, где происходят переговоры, освещают снаружи лазерным лучом. Роль зеркала выполняет стекло, а вместо селеновой пластинки — лазерный приемник.

В 1874 году уже упоминавшийся К. Ф. Браун обнаружил выпрямляющую способность контакта металла и сернистого свинца: при одном направлении тока сопротивление контакта мало, при противоположном — очень велико. Позже, используя эту особенность, Браун создал детектор — полупроводниковый диод.

В последнее 20-летие XIX века полупроводники не были обделены вниманием ученых, и число опубликованных работ, им посвященных, исчислялось сотнями, так что уже в начале XX века сформировались правильные представления о природе электропроводимости полупроводников. Потом с началом эры радиоэлектронной лампы интерес к полупроводникам упал. Это продолжалось вплоть до конца первой мировой войны.

В 20-х и особенно в 30-х годах полупроводники вновь стали объектами научного любопытства. На вооружении ученых появилась квантовая теория и уравнение Эрвина Шредингера, которые могли объяснить поведение электронов в твердых телах. Большой вклад в экспериментальные и теоретические исследования полупроводниковых приборов внесли и советские ученые О. В. Лосев, Б. И. Давыдов, Я. И. Френкель, А. Ф. Иоффе. А в 1931 году вышла первая в нашей стране книга под названием «Полупроводники» известного ученого Д. Н. Наследова.

Многие изобретатели бились над созданием полупроводникового усилителя. В 1925 году в США, а в 1935 году в Англии были выданы патенты на прибор, который впоследствии назовут полевым транзистором. Но экспериментально его воспроизвести не удалось.

И вот в 1947 году к тройке американских ученых пришел заслуженный успех. Их настойчивость была вознаграждена появлением транзистора.

Так же как и лампа, транзистор может быть и электронным переключателем, и усилителем. Только в отличие от лампы он управляется током, а не напряжением. В лампе через ее вход (участок сетка-катод) в большинстве режимов работы ток пренебрежимо мал, так что с ним можно было не считаться. А в транзисторе входной ток приходилось учитывать. Хоть небольшой, но есть. Он течет через определенную часть транзистора, и его изменения вызывают соответствующие изменения большего тока, текущего через весь транзистор. Поэтому транзистор иногда называли усилителем тока. И названия электродам в транзисторе придумали другие. Если провести аналогию с радиолампой, то роль катода в нем выполняет эмиттер (выпускает носители электрического тока), анода — коллектор (собирает их), а сетки — база.

В современной электронике получили распространение два типа транзисторов — биполярные и полевые. Кстати, прибор, созданный Бардиным и Браттейном, относится к биполярным транзисторам, а запатентованные в 1925 и 1935 годах — к полевым. Хотя запатентованы полевые транзисторы много раньше — применять их стали много позже: в конце 50-х — начале 60-х годов. Несмотря на различия между ними, принципы работы биполярного и полевого транзистора похожи. Правда, соответствующие электроды у последнего носят иные названия: эмиттер — это исток, коллектор — сток, а база — затвор. Проходящий через полевой транзистор ток между истоком и стоком управляется электрическим полем, возникающим в области, прилегающей к затвору, за счет поданного на него напряжения (поэтому и название — полевой транзистор), а затвор находится как раз на пути между истоком и стоком.

Электрическое поле может как бы сужать диаметр канала в полупроводнике, по которому бегут электроны от истока к стоку, или вообще перекрывать его.

Похожая картина наблюдается в поливочном шланге, если наступить на него ногой. Можно уменьшить напор воды, а можно и совсем перекрыть воду. Роль ноги в полевом транзисторе и выполняет электрическое поле у затвора. Входной ток у полевого транзистора, протекающий в нем между истоком и затвором, может быть очень малым. В этом отношении полевые транзисторы приближаются к вакуумным лампам.

Поначалу американская и западноевропейская промышленность не проявили интереса к новому прибору. Трудно было в одночасье сбросить со счетов почти три десятилетия разработки и совершенствования радиоламп разных конструкций. А ведь транзисторы требовали абсолютно новых методов производства. Лампы же применялись не только в радиоприемниках и телевизорах, но и в передатчиках радаров, систем связи, телевизионных и радиопередающих станциях, словом, и там, где требуются большие мощности излучения. (Кстати, в этих областях лампы еще и по сей день не сошли со сцены.)

Да и хрупки из-за точечных контактов были первые транзисторы. Они так и назывались точечными. Область контакта между двумя веществами  (или, иначе, область электронно-дырочного перехода) была очень мала: только в местах соприкосновения с полупроводником двух заточенных металлических проволочек (почти так же, как в кристаллических диодах). Такие контакты были нестабильны. Эра плоскостных транзисторов, которая продолжается и сегодня, наступила позднее — с начала 1950-х годов, когда научились выращивать монокристаллы полупроводников промышленным способом. Несовершенны и дороги были первые транзисторы. Их параметры сильно разнились от экземпляра к экземпляру.

Была еще одна причина, по которой американская промышленность встретила новый электронный прибор с прохладцей. Многие инженеры выросли в век радиоламп и потому отрицательно отнеслись к только что появившемуся транзистору. Было ясно, что речь идет не о простой замене радиоламп транзисторами. У новых приборов были другие напряжения питания, мощностные характеристики и даже принцип работы. (Его мы уже знаем — усиление по току.) Все это заставляло переучиваться, по-иному подходить к разработке схем. Но инженеры старой школы не хотели перестраиваться.

Чтобы привлечь внимание к транзистору, фирма «Белл» стала его усиленно рекламировать, устраивать семинары, предоставлять лицензии на него всем желающим. Она отказалась от всех лицензионных пошлин с транзисторов, используемых в слуховых аппаратах. Это была дань памяти Грэхему Беллу, который заботился о глухих.

Именно разработчики слуховых аппаратов оказались наиболее восприимчивыми к новому. Они сразу же ухватились за транзистор, несмотря на его дороговизну. (В начале 50-х годов транзистор стоил 15 долларов.) Еще задолго до появления транзистора производители слуховых аппаратов добились успеха в миниатюризации электронной аппаратуры. В общем, «новичок» пришелся им как нельзя кстати.

Первый транзисторный слуховой аппарат вышел в 1953 году. В нем было использовано пять транзисторов. Правда, потребовалась помощь двух миниатюрных ламп для входного и оконечного каскадов, поскольку сами полупроводники еще служили источником добавочного шума и их усиления было недостаточно.

Без «раскачки» отреагировали на новый прибор и военные. Они были заинтересованы в снижении веса и габаритов радиоэлектронной аппаратуры, а дороговизна их не смущала (деньги ведь не свои, а налогоплательщиков.)

Вот один из многочисленных примеров, какую выгоду дало бы использование транзисторов в военное деле. В конце войны США имели самолет-бомбардировщик В-29, прозванный «летающей сверхкрепостью». Он развивал скорость 600 километров в час и имел полетную массу около 54 тонн. Электронное оборудование самолета весило одну тонну. Применение транзисторов позволило бы уменьшить его вес в 10 раз, в результате чего полетная масса убыла на 4,5 тонны. То есть каждый лишний килограмм оборудования увеличивает полетную массу самолета примерно на пять килограммов. Такая «плата» в пятикратном размере объясняется необходимостью дополнительного запаса, горючего, усилением конструкции. А полетная масса — это и скорость, и маневренность, и потолок самолета.

Для ракет выигрыш еще ощутимее. Для них каждый лишний килограмм оборудования повышает массу ракеты на 40—50 килограммов. А если учесть, что стоимость электроники для современных ракет составляет около 70 процентов от стоимости ракеты, то нетрудно догадаться, что значат полупроводниковые приборы для ракетного дела.

Помимо военных новый прибор ждали и разработчики электронных вычислительных машин. Вспомним первые ЭВМ. Они покажутся сейчас мастодонтами.

В феврале 1945 года вступила в строй американская ЭВМ «Эниак-15». Ее первым практическим применением были расчеты для сверхсекретного проекта атомной бомбы. Задачи подготовил известный математик фон Нейман. Компьютер содержал 18 тысяч радиоламп. Занимала машина помещение в 135 квадратных метров, весила 30 тонн и потребляла 135 киловатт. Операция сложения длилась 0,2 миллисекунды, а умножения — 2,8 миллисекунды. (У современных быстродействующих машин — миллионные и даже миллиардные доли секунды.)

По существу, такую ЭВМ можно было уподобить огромному нагревательному прибору. Представьте себе помещение, где на каждом квадратном метре стоит по электрокамину мощностью чуть более одного киловатта. Охлаждать ЭВМ было весьма непросто. Но главная проблема заключалась в малой надежности. Электронные лампы имели срок службы около 500—1000 часов. За это время выходило из строя не менее двух процентов ламп. Через несколько часов работы надо было искать вышедшую из строя лампу, заменять ее и проверять работу машины с помощью тестов. А ведь для решения сложных задач требовалось ЭВМ с числом ламп, измеряемых не десятками, а сотнями тысяч.

Наиболее уязвимое место у ламп — нить накала и катод. Как и у осветительной лампы, нить накала с течением времени перегорает, а катод, подогреваемый теплом нити, теряет способность испускать электроны, или, как говорят, теряет эмиссию. У транзистора нет ни нити накала, ни подогревного катода, и потому нет и этих трудностей. Срок службы современного транзистора сравним с долговечностью обычного сопротивления. Сегодня же ЭВМ такого класса, как «Эниак-15», можно спокойно уместить в чемоданчике.

Первым полупроводниковым материалом для транзисторов был германий. Но как оказалось, германиевые транзисторы имели много недостатков, главный из которых — нестабильность. Никакие защитные покрытия не могли уберечь их на долгое время от контакта с внешней средой — пылью, влагой… По истечении некоторого времени параметры транзистора начинали «дрейфовать», работа электронных схем зачастую нарушалась. Плохо «вели» себя германиевые транзисторы и при повышенной температуре — тоже «дрейфовали».

В 1954 году появился первый транзистор из кремния — самого распространенного на Земле твердого вещества. Кремний — термостабилен, и что еще немаловажно — образует на поверхности пленку окисла, которая помогает надежно защитить электронно-дырочные переходы от внешних воздействий. Начался период кремниевых полупроводников, продолжающийся и в наши дни.

Еще в 1952 году на ежегодной конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудник Британского королевского радиолокационного управления Даммер в своем докладе произнес такие пророческие слова: «С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определенные участки вырезаны таким образом, что они могли непосредственно выполнять электрические функции».

Предсказание начало сбываться уже в конце 50-х — начале 60-х годов: появились интегральные микросхемы, которым стало суждено произвести переворот в радиоэлектронике, подобно тому, как это раньше сделал транзистор.

Главную роль в перевороте сыграла планарная технология (термин «планарный» образован от английского слова «планар» — плоский). Она дала возможность перейти от изготовления каждого прибора в отдельности к изготовлению на едином полупроводниковом образце, или, как говорят, кристалле, одновременно многих тысяч транзисторов.

Что же такое интегральная схема? Это какая-либо, чаще всего типовая, электронная схема, выполненная на едином кристалле. Например, берут кристалл кремния. В поверхностном его слое с помощью методов полупроводниковой технологии (очень изощренные по точности исполнения методы) формируют элементы электрической схемы, как то: диоды, транзисторы, сопротивления (или, иначе, резисторы), емкости, индуктивности и соединения между ними. Вот вам и полупроводниковая интегральная микросхема, или, как ее иногда называют за рубежом, «чип». (В переводе с английского «чип» — не то «ломтик», не то «дешевка».)

Интересно, что интегральные микросхемы так же, как и в свое время транзисторы, встретили скептически. Критические замечания в основном были по делу. Например, нужный прибор можно было составлять только из имеющихся в наличии готовых «кирпичиков», то бишь микросхем. А это зачастую лишало возможности оптимально построить электрическую схему прибора. Здесь напрашивается аналогия с индивидуальным пошивом в ателье. Можно костюм подогнать по фигуре, не то что в магазине — бери, что предложат.

Кроме того был при производстве микросхем большой процент брака. И еще — однажды созданную схему почти невозможно изменить. Многие недостатки потом устранили, а на другие на фоне огромных возможностей, которые сулила интегральная технология, можно было не обращать внимания.

Буму в области интегральных микросхем в США во многом способствовали военные. Как всегда, они напугали налогоплательщиков «советской угрозой». Поводом послужили успехи СССР в области освоения космического пространства. Под эту шумиху они затеяли в 60-х годах модернизацию своих баллистических ракет «Минитмен». Наметили снизить с помощью микросхем массу электронного оборудования на ракете и тем самым компенсировать отставание в области ракетных двигателей. Программа потребовала организовать производство невиданными ранее темпами — по 4000 интегральных микросхем в месяц.

Мы часто слышим слово «микроэлектроника». Данному понятию есть вполне определенная количественная мера. Принято считать, что микроэлектроника начинается тогда, когда плотность монтажа превышает пять элементов (диод, транзистор, резистор и др.) на кубический сантиметр. На этом рубеже кончается миниатюризация электронной аппаратуры и начинается ее микроминиатюризация.

Но не только «плотность упаковки», то есть количество элементов на единицу площади или объема, характеризует микроминиатюрность чипа, но и такой показатель, как степень интеграции — количество элементов в одной микросхеме.

В так называемых больших интегральных схемах (БИС) содержится от 100—1000 до 10—100 тысяч элементов, а в СБИС (сверхбольших интегральных схемах) — свыше 10—100 тысяч. Есть уже название для чипов следующей степени интеграции — УБИС (ультрабольшие интегральные схемы), но число схемных элементов для них пока не определено…

«ЛЕГКИЕ ЭЛЕКТРОНЫ»

Одна из важнейших характеристик полупроводниковых приборов — их быстродействие. Лучшие из кремниевых микросхем могут переключаться с частотой три миллиарда импульсов в секунду, то есть работать на частотах три миллиарда герц. Быстродействие немыслимое, трудно представимое. Но ненасытный прогресс требует большего. Если суметь заставить транзисторы переключаться быстрее, можно повысить вычислительную мощность компьютеров, создать новые типы радиолокационных станций и спутников связи, работающих как в диапазоне СВЧ, так и на более высоких частотах.

Быстродействие полупроводниковых приборов можно повысить, уменьшая их размеры, то есть сокращая расстояние, на которое должны перемещаться электроны, участвующие в передаче сигнала.

Но есть и другой путь — использовать такие полупроводники, в которых электроны движутся быстрее, чем в кремнии. И такие вещества есть. К ним относятся материалы, полученные из элементов III и V групп таблицы Менделеева. Из них лучше всех изучен арсенид галлия (соединение редкого металла галлия и мышьяка).

Уникальные свойства электронов в этом материале объясняет квантовая механика. Электрон, как мы знаем, проявляет себя не только как частица, но и как волна. Когда электронные волны взаимодействуют с периодической атомной структурой полупроводникового кристалла, возникают необычные с точки зрения классической физики явления. Например, электрон в полупроводнике ведет себя так, будто его масса стала намного меньше, чем в вакууме. В кремнии уменьшение происходит в пятикратном размере, а в арсениде галлия — в пятнадцатикратном. Именно за счет эффекта большего, чем в кремнии, уменьшения массы электроны в арсениде галлия перемещаются быстрее. Скорость их дрейфа может достигать 500 километров в секунду, правда, на весьма короткой дистанции — всего лишь несколько долей микрометра.

Хотя арсенидгаллиевые интегральные схемы, несомненно, превосходят кремниевые в быстродействии (в 2—5 раз), вряд ли они их полностью вытеснят. Скорее всего, те и другие неплохо дополнят друг друга. Кремниевые чипы будут по-прежнему использоваться в недорогих универсальных компьютерах, поскольку их производство обходится значительно дешевле. Однако там, где требуется максимально возможное быстродействие, например, в блоках памяти суперкомпьютеров, предпочтение отдается схемам на арсениде галлия. Кроме того, в условиях повышенных температур и радиации они ведут себя лучше, чем кремниевые.

Арсенид галлия в недалеком будущем преобразует передатчики и приемники радаров, систем связи и других устройств сверхвысокочастотного диапазона. С громоздкими СВЧ, лампами и волноводами, используемыми и по сей день, уже соперничают крошечные монолитные СВЧ-схемы.

Все мы не раз видели, хотя бы по телевидению, огромные чаши приемных антенн спутниковой связи «Орбита». Надобность в них отпадает. В будущем их заменят дешевые, небольшие по размеру (около одного метра) антенны. Это станет возможным за счет перехода на более высокие частоты. Недорогие приемники на арсенидгаллиевых СВЧ-схемах станут напрямую принимать телевизионные сигналы со спутника. Через спутник можно будет и поговорить по телефону с далеким абонентом.

Но, как не раз бывало и раньше, все наиболее передовое в науке и технике обращают на военные цели. Например, в одной из статей в зарубежном журнале набросали такой эскиз. Из ствола танковой пушки выстреливается снаряд, но не простой, а «разумный». В него встроен маленький радар, который наводит снаряд на цель. Малютка работает на миллиметровых волнах. Такая система возможна благодаря полупроводниковым приборам на арсениде галлия, способным как генерировать, так и принимать миллиметровые волны. Во всяком случае, посты патрульно-дорожной службы уже используют миниатюрные радары для контроля скорости движения автомобилей.

Полупроводниковые приборы на арсениде галлия и других перспективных материалах откроют новую страницу в освоении электромагнитного спектра. Недалеко то время, когда интегральные СВЧ-схемы станут широко использоваться и в бытовой радиоаппаратуре.

КРОШЕЧНЫЕ «СИЛАЧИ»

В 80-х годах появился новый тип интегральных микросхем. Несмотря на малые размеры, их назвали «силачами». На одной пластинке кремния совмещается компьютерная логика со способностью управлять довольно сильным электрическим током. Эту операцию обычно выполняют батареи мощных транзисторов вкупе с тиристорами, диодами, конденсаторами и другими элементами. Всех их заменит «силач» — высоковольтная интегральная схема. Она работает при напряжениях, во сто крат больших, чем напряжения пятивольтовых чипов для компьютеров.

Интересна история создания новой схемы. В начале 70-х годов Джеймс Пламмер, профессор электротехники Станфордского университета, пытался повысить мощность портативной считывающей машины для слепой дочери своего коллеги. Ученый использовал уже известную технологию изготовления интегральных схем, так называемую технологию МОП-транзисторов, разновидности полевых, и сумел получить высоковольтный чип. (МОП — аббревиатура, составленная из первых букв названий слоев, составляющих структуру затвора: металл — оксид — полупроводник.)

На основе микросхемы был создан прибор «Оптакон», включающий в себя миниатюрную фотокамеру, которая по буквам считывала тексты с обычных книг и газет. Новый чип преобразовывал начертания букв в электрические импульсы, с помощью которых автоматически составлялись знаки рельефно-точечной азбуки Брайля для слепых.

Если интегральные схемы произвели революцию в компьютерной технике, сделали ее доступной рядовому пользователю, то высоковольтные чипы произведут еще одну электронную революцию, только в иной сфере — в области промышленной и бытовой электротехники. «Силачи» могут переключать токи в десятки и даже более сотни ампер. Это стало возможным благодаря параллельному соединению десятков тысяч транзисторов в крошечном кристалле.

Особая польза ожидается от применения высоковольтных чипов в небольших электромоторах переменного тока, и их частота вращения жестко связана с частотой сети — 50 герц. Электромоторы расходуют в США около 60 процентов всей электроэнергии страны, и большая ее часть тратится впустую, так как они работают в режиме постоянной скорости.

«Силач» может электронно регулировать частоту вращения электродвигателей и, следовательно, потребляемую энергию. Например, число оборотов электродрели будет автоматически увеличиваться, а не уменьшаться, если сверло в процессе работы натолкнется на более твердый металл. А в недалеком будущем чипы станут применяться для управления и более мощными электродвигателями.

Высоковольтные чипы вскоре заменят все виды электромеханических реле и переключателей, особенно в бытовых приборах. В стиральных машинах ненужными станут редукторы для изменения скорости вращения электромотора в различных режимах работы. Уже есть кондиционеры воздуха с высоковольтными чипами Электродвигатель, оборудованный «силачом», не выключаясь, только замедляет или увеличивает скорость вращения, поддерживая тем самым постоянную температуру. Такой режим наиболее эффективен. У прежних кондиционеров электродвигатель при достижении определенной температуры отключался.

Применение чипов в люминесцентных светильниках поможет избавиться от неприятного мерцания лампы, назойливого жужжания дросселя, а также позволит регулировать яркость свечения люминесцентных ламп.

Широкое распространение получат «силачи» в автомобильной промышленности. В современном автомобиле много потребителей электроэнергии, а в будущем их число еще более возрастет. От каждого потребителя к источнику питания тянутся провода. Специалисты подсчитали, что в среднем в каждом автомобиле вес проводов составляет 32 килограмма. Применение высоковольтных чипов даст возможность использовать совсем иную, более экономичную схему электропроводки. Только один-два провода протянут через весь автомобиль по замкнутому контуру. Все электрическое оборудование подключат к ним подобно лампочкам, украшающим новогоднюю елку. В месте подсоединения каждого потребителя будет вмонтирован «силач», который, например, не только включит задний фонарь, но и подаст сигнал на переднюю панель в случае, если лампочка неисправна.

Правда, и сейчас многие автомобили оснащены индикаторами неполадок, но они работают на датчиках и другой дорогостоящей электронике, а с применением дешевых чипов такой контроль получит более широкое распространение. По подсчетам специалистов, применение высоковольтных чипов в авиалайнере «Боинг-747» поможет снизить вес электропроводки более чем на четыре тонны.

Нажимая на клаксон, можно будет подавать чипу разные команды. Легкое нажатие — предупреждающий слабый сигнал, сильное нажатие — громкий гудок.

«Силачи» уже работают в плоских дисплеях некоторых компьютеров. Такие экраны построены на принципе газового разряда. Изображение получается более совершенным, чем на обычных жидкокристаллических дисплеях.

Технология производства высоковольтных чипов совершенствуется, цены на них на международном рынке падают. Если в 1984 году стоимость «силача» составляла 45 долларов, то в 1987 году уже 6,5 доллара, и эта тенденция будет продолжаться.

ЭВМ НА ОСТРИЕ ИГЛЫ

Чтобы получить представление о достигнутом уровне микроминиатюризации электронных схем, нью-йоркский журнал «Бизнес уик» в своем выпуске, вышедшем где-то в середине 1985 года, советовал сделать следующее:

«Вырвите у себя волос. Его толщина равняется приблизительно ста микронам. Представьте себе теперь, что вы умещаете в сетку из 400 транзисторов, каждый из которых состоит из линий, толщиной в один микрон, на кристалле кремния размером с сечение вашего волоса. Теперь сожмите эти линии до толщины в полмикрометра и вы сможете примерно на той же площади разместить почти 1500 транзисторов-полупроводников. Еще раз разделите все пополам. При толщине четверть микрометра каждый транзистор по размеру будет приблизительно равен крупному вирусу, и вам хватит места для 4500 транзисторов».

Данный пример лишь приблизительная оценка, которая дает представление и об уже имеющемся и о том, что уже почти на выходе. Но и это не предел. В 1987 году в печати сообщалось, что сумели сделать транзистор, где толщина линии 0,1 микрона (или в новых терминах — микрометра), то есть одна десятая от миллионной доли метра. А линиями как раз и «рисуют» с помощью литографических приемов на пластинке кремния, арсенида галлия или другого материала транзисторы, соединительные провода и все прочие детали электрической схемы. Чем тоньше линия, тем меньше элементы схемы, тем плотнее ее электронная начинка. Поэтому не только количество транзисторов в кристалле характеризует микросхему, но и толщина линии.

Весьма показателен следующий пример, демонстрирующий фантастические успехи микроминиатюризации. Все мы имеем более или менее ясное представление о Магнитных головках. С их помощью в магнитофонах происходит запись на магнитную ленту и воспроизведение с нее. В вычислительных машинах магнитная лента, а чаще магнитные диски, используются в качестве памяти. Так вот, создана головка для записи информации на магнитный диск размером… с точку в конце этого предложения. Причем она более чувствительна к электромагнитным полям, чем головка с проволочной катушкой, что позволяет записывать на магнитный диск информацию с большой плотностью.

Есть такая английская притча — вариант лесковского Левши. Будто один мастер-виртуоз послал другому булавку. На ее головке он выгравировал слова: «Как тебе это нравится?» Последовал ответ: «Ничего особенного». Написано это было на той же булавке, но… внутри одной из букв. Что-то подобное происходит в микроэлектронике.

Начиная с 60-х годов, число элементов в наиболее сложных интегральных схемах каждый год примерно удваивалось, а ширина линии соответственно уменьшалась. В 1960 году ширина типичной линии в обычных схемах составляла 30 микрометров. К 1970 году степень интеграции увеличилась настолько, что кристалл площадью 1,5 квадратных сантиметра стал вмещать больше электронных элементов, чем самое сложное электронное устройство, которое могло быть создано в 1950 году. В настоящее время в основном в ходу микросхемы с микрометровой линией, хотя получены кристаллы, у которых линия в два раза тоньше.

Современные чипы для запоминающих устройств содержат более двух миллионов элементов. С другими кристаллами каждый из них соединяют пять миллионов проводников, и такие чипы не единичны, они выпускаются в большом количестве. Менее трех десятилетий назад, до возникновения микроэлектроники, радиомонтажнику пришлось бы потратить 10 лет на установку двух миллионов дискретных элементов такой схемы. Только зарплата рабочего за это время составила бы сотни тысяч долларов. Теперь же такое изделие стоит на рынке лишь десятки долларов, а в перспективе его цена упадет до нескольких долларов.

Мало найдется мест более чистых, чем завод полупроводников. Ведь одна пылинка может безнадежно испортить микросхему. Создать условия такой стерильности, с которой не сравнится ни одна больничная операционная, очень непросто. Судите сами.

В одном кубическом метре обычного городского воздуха содержится около 50 миллионов пылинок. В зеленых зонах их содержание падает до 2 миллионов в одном кубометре, а при изготовлении наиболее сложных БИС запыленность воздуха в основных помещениях не должна превышать 3000 пылинок на кубометр, причем на рабочем месте, возле обрабатываемой пластины, запыленность должна быть не более 30 пылинок. Конечно, брак все равно будет, но с ним приходится мириться, как с неизбежным злом.

О том, зачем нужна такая чистота, дает представление следующий пример. Если в помещении запыленность достигнет 50 тысяч пылинок на кубометр, то на поверхности в один квадратный сантиметр за один час осядет около 40 пылинок размером в несколько микрометров и гораздо больше более мелких частиц. Неумолимая статистика свидетельствует: при такой запыленности на каждый квадратик поверхности со стороной 1,4 миллиметра придется не менее одной пылинки размером 1—3 микрометра и пять-десять пылинок размером 0,3—0,5 микрометра. Такие условия гарантируют стопроцентный брак.

Приведу еще несколько цифр, чтобы окончательно убедить читателя, что мы живем в пыли и сколь труд, но от нее избавиться. Даже в состоянии покоя человек каждую минуту создает до 100 тысяч пылинок, а если еще начнет энергично двигаться, число «генерируемых» им пылинок возрастает в 10 и более раз. Если в помещении площадью сто квадратных метров в отсутствие людей в одном кубометре насчитывается 10 000 пылинок, то при наличии здесь же 12 человек запыленность возрастает до 3,5 миллиона пылинок в одном кубометре.

А вот еще одна статистика, свидетельствующая о том, что курильщик — потенциальный источник брака в полупроводниковом производстве. Оказывается, любой курящий выдыхает в течение примерно часа после курения частицы, загрязняющие среду.

В экспериментах, проведенных одним американским исследователем, воздух, выдыхаемый курящим и некурящим, направлялся в устройство, подсчитывающее количество содержащихся в нем частиц. Устройство устанавливалось на расстоянии 25 миллиметров от рта испытуемых. В первую минуту после выкуренной сигареты курильщик выдыхал (в пересчете на один кубометр) более 800 тысяч частиц, в то время как некурящий — 27 тысяч частиц. Через 10 минут количество частиц в воздухе, выдыхаемом курильщиком, снижалось до 160 тысяч. Большинство частиц оказалось клетками эпителия, покрывающими полость рта. Размер частиц — в пределах от 0,2 до 12 микрометров.

В другом эксперименте в промежутках между замерами пили кофе. По-видимому, курильщики вместе с напитком проглатывали большую часть клеток эпителия. Число выдыхаемых ими частиц сократилось, но и спустя 63 минуты все же была видна существенная разница в замерах для заядлого курильщика и некурящего. Даже когда некурящий съел 12 крекеров, количество выдыхаемых им частиц не увеличилось.

Правда, экспериментатор нашел довольно простое решение, как частично нейтрализовать курильщика: дать ему выпить стакан воды, прежде чем он вернется в цех.

Эти данные еще раз подтверждают, что находиться рядом с курящим далеко не безвредно. Курильщика можно уподобить микровулкану никотиновой пыли.