90. Чем тоньше база, тем быстрее проходят через нее заряды и выше предельная частота усиления (Т-150).
Глава 21Фантастическая электроника
Т-301. Электронные устройства и методы достигли высокого совершенства, с их помощью решается много разных задач в науке, технике, управлении производством. Электроника и космос. Медицинская электроника. Электронная автоматика. Электроника в астрономии. Электроника в химии, в сельском хозяйстве, в спорте. Электроника в металлургии, в авиации, в биологии… Электроника, электроника, электроника… В чем дело? Почему так часто слышим мы это слово? Мода? Увлечение прессы? Конечно же, нет: электроника честно заслужила свою славу, она давно уже стала незаменимым помощником человека в самых разных его делах и работах.
Популярность радиоэлектронных приборов, аппаратов и систем в огромной мере определили такие их достоинства, как высокое мастерство и доступность. Вот несколько цифр, показывающих, что умеет электроника, что стоит за словом «мастерство».
Радиоприемники систем космической связи улавливают сигналы мощностью около 10-22 Вт, это примерно то же самое, что, находясь в Москве, услышать писк комара, пролетающего где-то в районе Мурманска. Радиотехнические системы позволяют измерять расстояние порядка сотен тысяч километров с точностью до сантиметров или регистрировать перемещения, которые в миллион миллионов раз меньше размеров атома. Метод ядерного магнитного резонанса, в основе которого электронная аппаратура, позволяет определить массу интересных подробностей устройства отдельных молекул: для этого проводятся измерения резонансных явлений, во время которых на частотах в сотни мегагерц удается заметить изменения частоты на сотые доли герца. Радиоэлектроника помогает исследовать фрагменты далеких звезд, которые видны с Земли под углом в 0,00001 угловых секунд (если бы человек обладал такой остротой зрения, он видел бы рисовое зерно на расстоянии пятисот — шестисот километров).
А теперь несколько слов о том, насколько широко используется электронная аппаратура. Ежегодно в мире производится около ста миллионов приемников и пятидесяти миллионов телевизоров, в них используются десятки и сотни миллиардов радиодеталей — кинескопов, ламп, транзисторов, резисторов, конденсаторов, катушек, переключателей. Многими миллионами компьютеров оснащены сегодня ученые, инженеры, производственники, экономисты, одних только персональных вычислительных машин в мире ежегодно выпускается более десяти миллионов штук. В нашей стране приборов и средств автоматизации ежегодно выпускается примерно более чем на десять миллиардов рублей, выпускается более миллиона типов и номиналов деталей для радио- и электронной аппаратуры, многие из этих деталей выпускаются миллионными тиражами.
Т-302. Важнейшие проблемы радиоэлектроники — уменьшение веса и объема аппаратуры, повышение ее надежности, автоматизация производства. Радиоэлектронная аппаратура непрерывно совершенствуется, берет на себя все более сложные функции и при этом часто сама сильно усложняется. Лет тридцать — сорок назад в очень сложном электронном аппарате могло быть несколько тысяч деталей, а современные аппараты, в частности вычислительные машины, содержат миллионы и десятки миллионов деталей. И если бы это были детали, какие выпускались лет тридцать назад, — электронные лампы, сравнительно большие резисторы и конденсаторы, то для размещения сложной электронной аппаратуры нужны были бы, наверное, огромные многоэтажные дома, она весила бы сотни тонн, потребляла тысячи киловатт электроэнергии. Вот лишь один из многих примеров: электронное оборудование большого современного самолета, если бы оно было собрано на лампах, весило бы столько, что самолет уже просто не мог бы подняться в воздух.
А вот другая проблема: по мере усложнения электронной аппаратуры резко снижается ее надежность. Как показала статистика, главная причина отказов, неисправностей — это соединительные цепи, соединения между элементами схемы; и чем больше элементов, тем чаще происходят отказы, меньше надежность. Это проблема огромной важности, особенно если учесть, что электронике доверяют такие важные дела, как, например, управление космическим кораблем или контроль за ритмами больного сердца.
Взволнованно повествует о проблеме надежности старинная английская баллада:
Выпал гвоздь — и нет подковы,
Нет подковы — нет копыта,
Нет копыта — нет коня,
Нет коня — и гибнет воин,
Гибнет воин — нету войска,
Нету войска — пало царство.
А виной один лишь гвоздь.
И наконец, третья важнейшая проблема: электронной аппаратуры нужно все больше и больше, аппаратура эта усложняется, и делать ее вручную уже просто невозможно. Если бы при нынешних масштабах применения электроники изготавливать ее по технологии тридцати или сорокалетней давности, то в электронной и радиопромышленности, наверное, должно было бы работать все население страны. Здесь есть один только выход — автоматизация производства, создание такого оборудования, такой технологии, при которой основную работу делали бы машины, автоматы, а человек только следил бы за ними. Но можно ли автоматизировать такие чисто человеческие операции, как сборка электронных схем, пайка, монтаж, налаживание?
Применение интегральных схем — вот путь, двигаясь по которому можно одновременно решать все три проблемы: добиваться резкого уменьшения габаритов и веса аппаратуры, повышать ее надежность и автоматизировать производство. Интегральные схемы, или, как их часто называют, микросхемы, — это электронные блоки, плотность монтажа в которых в тысячи раз выше, чем в аппаратуре из дискретных элементов, то есть из отдельных деталей — резисторов, диодов, транзисторов и т. д. Сложный электронный блок, занимающий в традиционном исполнении целый шкаф, если его выполнить в виде интегральной схемы, может уместиться в тончайшем слое кремниевой пластинки размером с копейку, а весить доли грамма. И надежность его будет очень высокой: у интегральной схемы совсем иной принцип соединения «деталей», они как бы слиты в единую электрическую цепь, представляют собой единую схему и единую монолитную конструкцию. Об этом напоминает само слово «интегральная», оно происходит от латинского «интегер», что означает «целый», «единый». Наконец, как это ни удивительно, но интегральные схемы по самой своей природе допускают автоматизацию производства: эти невидимые микроскопические электронные блоки могут изготавливаться без какого-либо прикосновения к ним человеческой руки.
Т-303. Интегральные микросхемы — революция в электронике. Первые интегральные схемы появились в 1958 году, но нельзя, конечно, считать, что микросхемы были созданы в один день — технология подошла к ним через многие другие свои достижения. В частности, через печатный монтаж — изготовление соединительных проводов методом фотолитографии (Р-179).
Р-179
Через методы вакуумного напыления различных покрытий, например веществ с высоким удельным сопротивлением для создания резисторов (К-3;2). И конечно же, самое важное достижение, приблизившее электронику к интегральным схемам, — это создание в 1948 году транзисторов. Во-первых, появились действительно микроскопические усилительные приборы: сам транзистор, без корпуса, — это кристаллик размером с песчинку; электронную лампу таких размеров трудно себе представить. Но транзистор-песчинка — это далеко не предел, современные технологии позволяют делать транзисторы в тысячи раз меньших размеров. Более того — ученые и технологи научились создавать в полупроводниковом кристалле и другие элементы очень малых размеров. Так, например, /m-переход, если подать на него обратное постоянное напряжение (свободные заряды оттянуты от границы, между зонами р и n появился слой без свободных зарядов; Т-133), выполняет роль конденсатора. А вводя в полупроводник донорные или акцепторные примеси и дозируя их определенным образом, можно создавать в кристалле резисторы с самым разным сопротивлением.
Раньше других начали широко применяться так называемые гибридные интегральные схемы — в них значительная часть элементов образована различными тонкими пленками, а активные элементы — транзисторы и диоды — это бескорпусные приборы-песчинки, соединенные с пленками в нужных местах. В гибридной схеме из металлических пленок образованы соединительные проводники и обкладки конденсаторов, между этими обкладками находятся пленки диэлектрика, в виде тонких пленок выполнены резисторы (Р-180). Создаются эти пленки напылением тончайших слоев нужных материалов через своего рода трафареты — маски с фигурными окнами.
Р-180
Постепенное совершенствование технологии позволило сделать следующий важный шаг — перейти к полупроводниковым интегральным схемам, где в одном кристалле создаются все элементы — транзисторы, резисторы, конденсаторы, соединительные цепи (Р-181).
Существуют две основные группы полупроводниковых интегральных схем — с обычными биполярными транзисторами (это уже знакомые нам приборы с коллектором, базой и эмиттером) и униполярными, или, как их иначе называют, полевыми, транзисторами. Эти полупроводниковые приборы по принципу действия и особенно по некоторым характеристикам похожи на электронные лампы. Так, например, у полевых транзисторов, как и у ламп, высокое входное сопротивление, их управляющий электрод — он называется уже не базой, а затвором, — подобно сетке, влияет на ток «без касания», своим электрическим полем, и не имеет прямого контакта с эмиттером и коллектором — у полевого транзистора они называются, соответственно, истоком и стоком. На основе полевых (униполярных) транзисторов появился огромный класс интегральных схем типа МОП, что расшифровывается так: металл — окисел — полупроводник (окисел является диэлектриком, и поэтому МОП-структуры иногда называют МДП: металл — диэлектрик — полупроводник). Структуры МОП — основа большинства интегральных схем для вычислительной техники, и в то же время полевые МОП-транзисторы благодаря