Файл: Федотов, Я. А. Инженер электронной техники.pdf

Койки». ГлайнЫм определяющим фактором здесь являётСй п р и н ц и п изготовления.

Раньше каждый вид изделия электронной техники изго­ тавливался на своем, специализированном предприятии. С разных концов страны эти изделия поступали на предприя­ тие, занимающееся сборкой аппаратуры. Изготовление изде­ лий электронной техники и изготовление аппаратуры из них были, таким образом, разнесены во времени и пространстве. В интегральной электронике изготовление деталей и схемы, состоящей из этих деталей, «проинтегрированы» в общих технологических процессах в стенах одного предприятия. Бо­ лее того, в этих же процессах оказывается «проинтегрирован­ ным» и изготовление некоторых материалов. Так, например, полупроводниковые пленки могут получаться разложением галогенидов полупроводниковых веществ, металлические плен­ ки — разложением металлорганических соединений и т. д.

Если методами интегральной электроники изготовить, на­ пример, мощный усилительный каскад, то может оказаться, что плотность упаковки в нем окажется меньше трех деталей на 1 см3 и его уже нельзя формально рассматривать как ми­ кроэлектронное устройство. В то же время практически все микроэлектронные устройства изготавливаются методами интегральной электроники, и эти два понятия оказываются совпадающими. Таким образом, в основе микроэлектроники (или интегральной электроники, что будет точнее) лежит все та же планарная технология, все те же полупроводниковые структуры и тонкие пленки металлов и диэлектриков, все те же физические процессы в твердом теле, в сложных полупро­ водниковых структурах.

Однако должна же быть какая-то специфика? Специфика, бесспорно, есть. Вопросы п р и м е н е н и я полупроводнико­ вых приборов для работы в сфере интегральной электроники нужно знать лучше, так как делать придется уже не одиноч­ ные (дискретные) приборы, а довольно сложные устройства, включающие десятки, сотни и даже тысячи полупроводнико­ вых приборов, взаимодействие которых обеспечивает выпол-

47

нение функциональных задач, возложенных на это устройство. Другими словами, когда изделием электронной техники стал уже не отдельный (дискретный) полупроводниковый прибор, а совокупность таких приборов, образующая некото­ рую схему, то от разработчика такого изделия требуется уже и знание схемотехники. Под схемотехникой мы в данном случае понимаем совокупность знаний, позволяющих проекти­ ровать те или иные электронные устройства с полупроводни­ ковыми приборами: усилители, генераторы, импульсные схе­ мы, узлы электронной логики или устройств памяти для

ЭВМ и т. д.

Инженер электронной техники должен, таким образом, хорошо знать принципы построения схем в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, ибо изделие микроэлек­ троники — это электронная схема. Интегральная схема и отдельные (дискретные) приборы соотносятся примерно так, как иероглифы и буквы в алфавите... Или как крупные строительные блоки и кирпичи ...

Где в первую очередь должны применяться интегральные схемы? Очевидно, там, где один и тот же блок повторяется наиболее часто и в больших количествах. Прежде всего это имеет место в вычислительной технике. Вычислительная ма­ шина более чем на 50% может состоять из 100—200 тысяч блоков всего 10—15 наименований: триггеров, схем совпаде­ ния, инверторов и т. д. На языке вычислительной техники эти блоки называют комбинацией слов И, ИЛИ, НЕ и т. д.

С этой точки зрения, подготовить себя для работы в обла­ сти микроэлектроники — это значит в первую очередь разоб­ раться в принципах современной вычислительной техники, на­ пример в основах булевой алгебры, созданной Джоном Буллем, отцом известной писательницы Этель Лилиан Вой­ нич ... Это далеко не так страшно, как кажется на первый

48

«Meet физико-химической подготовки, не владёеФ ФекниЧёСкНми средствами... Короче говоря, он знает, что блоху надо подковать, но не знает, как к этому делу подступиться. Инже­ неру же электронной техники, овладевшему н а ч а л а м и вычислительной техники, эта задача не готовит неразрешимых трудностей, особенно если он будет работать в тесном кон­ такте со специалистом по вычислительной технике.

Аналогичное положение складывается не только в вычис­ лительной технике, которую мы использовали в качестве наи­ более типичного примера, но и в радиолокации, связи, авто­ матике, бытовой электронике и т. д. Везде мало-помалу начи­ нают разрабатываться типовые решения, позволяющие осу­ ществить переход к интегральной электронике.

Создание сложного радиоэлектронного комплекса вклю­ чает сегодня следующий круг задач:

—задачи системотехники (разработка функциональной схемы комплекса вплоть до неделимого элемента; постановка задачи создания комплекса неделимых элементов, если нет возможности использовать уже имеющиеся типовые решения);

—задачи схемотехники (разработка схемы неделимого элемента и увязка этой схемы с технологическими и физиче­ скими возможностями);

—разработка конструкции (топологии) и принципов изготовления (технологии) неделимого элемента;

—сборка узлов комплекса из неделимых элементов. Получается, что для создания любого электронного ком­

плекса третьего поколения в принципе необходимы (но не достаточны, естественно) специалисты двух профилей:

1.Специалисты с хорошей подготовкой в области радио­ электроники, промэлектроники, автоматики, вычислительной техники, способные решать задачи системотехники и схемо­ техники, имеющие общее представление о технологических средствах микроэлектроники.

2.Специалисты с хорошей подготовкой в области физики полупроводников, теории полупроводниковых приборов, физи­ ческой химии, кристаллографии, методов создания и иссле­

50

дования полупроводниковых структур, имеющие достаточно хорошее представление о схемотехнике, по крайней мере на уровне неделимого элемента. Это и есть инженеры электрон­ ной техники.

На неделимом элементе эти две группы специалистов «стыкуются»: одни его создают, другие используют. Таковы пути, ведущие нас в глубь автоматики, радиоэлектроники, ки­ бернетики ...

Фундамент современной кибернетики

и красная. Нажатием на зеленую кнопку система включалась, нажатием на белую кнопку переводилась в режим поиска неприятельской ракеты, нажатием на красную кнопку ракета уничтожалась на расстоянии. Когда же изобретателя спроси­ ли, а каким образом это все осуществляется, он ответил, по­ жав плечами: «Это уже дело техники. А мое дело было пред­ ложить идею...».

Емкость неделимого элемента с каждым днем увеличи­ вается: он принимает на себя все большее количество функ­ ций. Вероятно, и дальше все новый и новый круг задач будет уходить из сферы системотехники и переходить в сферу не­ делимого элемента. В конечном итоге можно себе предста­ вить, что к трем кнопкам присоединено три неделимых эле­ мента. И тогда «дело техники» — это дело создания соответ­ ствующих неделимых элементов ...

Естественно, три кнопки — это утрировано. В схемотех­ нике, например, в методах и принципах обработки информа­ ции много своих сложных и интересных задач. Однако утри­ ровать, гиперболизировать можно лишь нечто реальное...

Нуль, ведь, во сколько раз ни увеличивай, больше нуля не получишь...

Перейдем к цифрам. Еще и сейчас в эксплуатации нахо­ дятся ламповые ЭВМ с числом ламп меньше тысячи (700—900). Это наиболее типичные представители ЭВМ пер­ вого поколения. Большие электронные счетные машины пер­ вого поколения насчитывали несколько тысяч ламп. Первые неделимые элементы третьего поколения ЭВМ насчитывают от 10 до 50 эквивалентных лампе элементов. Число этих экви­ валентов лампы в неделимом элементе непрерывно растет и начинает исчисляться уже сотнями и даже тысячами.

Заговорили о четвертом поколении ЭВМ как о поколении высокой степени интеграции, о сверхбольших интегральных схемах. Уже сегодня имеются неделимые элементы с числом «ламп», не только превышающим число ламп в типичной ЭВМ первого поколения, но и приближающимся к их числу в уникальных ЭВМ первого поколения.

Наращивая плотность элементов в неделимом элементе, интегральная электроника переходит к «симбиозу» гибридных и монолитных схем, к сложным гибридным схемам, в которых в один корпус запаиваются не несколько кристалликов дис­ кретных диодов и транзисторов, а несколько кристаллов мо­ нолитных схем. Получаются многокристальные гибридные БИС и СБИС.

В нормальных технологических процессах изготовления дискретных приборов (при малых коэффициентах использо­ вания!) на одной пластине диаметром 35 мм сегодня выпол­ няется около 1500 дискретных транзисторов. В принципе же на пластине этого диаметра имеющимися в настоящее время наиболее точными методами можно создать до миллиона дио­ дов и транзисторов.

Сейчас еще трудно говорить о том, что все эти диоды и транзисторы образуют единую интегральную схему. Этого пока не допускают современные оптические системы. Высокую разрешающую способность в 1—2 мкм удается пока получать на полях диаметром не более 5—8 мм. В результате на кри­

52

сталле площадью в 30—36 мм2 можно создавать интегральные схемы с 10—20 тысячами транзисторов.

держащих 65 000 элементов на одном кристалле.

Вычертить схему — это значит нанести на лист бумаги ряд точек, соединенных между собой отрезками прямых или дуг. Каждая точка должна иметь на чертеже вполне опреде­ ленные координаты. Число координатных точек на больших интегральных схемах составляет несколько сотен тысяч и начинает приближаться к миллиону. Спроектировать такую схему вручную становится просто невозможно: слишком ве­ лика вероятность ошибки и слишком сложно ее обнаружить. Проектирование таких систем ведется с помощью ЭВМ, в памяти которых хранится набор самых различных типовых решений отдельных узлов схемы, транзисторов, проверенных «на технологическую совместимость», и т. д. Результаты рас­ четов, проведенных ЭВМ, передаются на фотонаборную ма­ шину, «комплектующую» прототип того или иного фотошабло­ на. «Продукцией» цикла машинного проектирования является комплект фотошаблонов и технологических режимов. Так создаются БИС.

Если предположить, что в одном корпусе гибридной схе­ мы можно разместить несколько интегральных монолитных схем, то мы получим неделимый элемент, содержащий не­ сколько тысяч диодов, транзисторов и т. д. Этот неделимый элемент по «насыщенности» оставляет далеко позади даже многие ЭВМ второго поколения. В пересчете же к обычным ЭВМ первого поколения неделимый элемент третьего поколе­ ния уже сегодня свободно вмещает в себя одну-две ЭВМ первого поколения.

У истоков технических основ кибернетики стоят, таким образом, создатели неделимого элемента — основы основ лю­

53

бого электронного комплекса — инженеры электронной тех­ ники.

Итак, когда на землю падают спелые желуди кибернети­ ки, то мы знаем, что выросли они на корнях полупроводнико­ вой электроники.

Кибернетика, физика или технология!

Мы, пожалуй, немного увлеклись проблемами разви­ тия вычислительной техники и кибернетики. Может создаться впечатление, что это-то и есть основное содержание профес­ сии инженера электронной техники. Отнюдь нет... Мы хотели всего лишь показать, насколько широкий кругозор требуется инженеру электронной техники, особенно если он хочет стать исследователем, создателем новых приборов и элементов.

Вернемся к -неделимому элементу — дискретному полупро­ водниковому прибору второго поколения и интегральной схе­ ме третьего (или четвертого) поколения. Мы установили сле­ дующее:

—без развития электронной техники, и особенно без быстрого развития полупроводниковой техники, невозможен прогресс в науке и технике вообще;

—это очень сложная техника, техника микроразмеров и микроколичеств;

—это техника, базирующаяся на структурообразовании.. требующая хорошего знания физико-химических основ структурообразования: физической химии, кристаллографии, физи­ ческого материаловедения и т. д.;

—это техника, требующая широкого кругозора и осо­ бенно знаний в области электроники.

Мы еще ничего не сказали о физике — не всегда о самом важном говорят вначале. Иногда целесообразно самое важное оставить и на конец. Мы рассмотрели проблемы структурообразования с точки зрения точности и сложности методов

получения микроструктур в объеме кристалла полупроводника. Л что представляют собой эти структуры? Какие процессы происходят в них? Почему они должны быть такими, а не

64

иными? И вообще, какими должны быть структуры^ Ответы на эти вопросы дает теория полупроводниковых приборов. Поскольку полупроводниковый прибор — сложная полупро­ водниковая структура, то теория прибора — это теория физи­ ческих процессов в сложных полупроводниковых структурах.

Если в основе принципов действия предшественников по­ лупроводниковых приборов — электровакуумных приборов — лежало взаимодействие электронов с электрическими и маг­ нитными полями в вакууме, то в основе принципа действия полупроводниковых приборов лежит взаимодействие электро­ нов с электрическими и магнитными полями в твердом теле.

Физически это более сложная задача, поскольку заряды взаимодействуют не только с наложенными извне полями, но и с кристаллической решеткой вещества, характеризующейся периодическим потенциалом, с атомами примесей, с другими дефектами кристаллической решетки. Особенно сложными, интересными и важными являются физические процессы на границе раздела двух сред: полупроводника и диэлектрика, полупроводника и металла, металла и диэлектрика, а также на границе «встречи» двух кристаллических решеток двух различных полупроводников.

Физика полупроводников, основанная на теоретической физике, физике твердого тела и квантовой механике, рассма­ тривает в основном все виды физических процессов в одно­ родных объемах полупроводника и частично процессы на пло­ ских бесконечных границах раздела двух полубесконечных объемов разных сред.

Она подводит нас, таким образом, вплотную к изучению физических процессов в сложных полупроводниковых струк­ турах, образованных неоднородными по свойствам и конеч­ ными по размерам объемами крайне малой величины.

Естественно, что не любая сложная структура будет обладать свойствами, которые можно будет практически использовать. Теория полупроводниковых приборов из всех видов физических процессов в полупроводниках и из всех возможных видов полупроводниковых структур выбирает для

55