Приключения радиолуча

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.)