Александр Иванович Шокин. Портрет на фоне эпохи

Рис. 4. СВЧ-приборы различных типов

Отечественная СВЧ-электроника обеспечивает создание радиоэлектронной аппаратуры на современном научно-техническом уровне.

СВЧ-электроника в наши дни все больше применяется не только в системах радиоэлектронного вооружения, но и в различных отраслях техники и народного хозяйства, в том числе:

– в ядерной физике, где мощные клистроны используются для ускорения элементарных частиц;

– в химии для обработки и структурного упрочения в СВЧ-поле стеклопластика и полимерных материалов;

– в пищевой промышленности для быстрого приготовления пищи путем СВЧ-нагрева.

СВЧ-энергия используется для получения низкотемпературной плазмы, сушки древесины, контроля влажности зерна и многих других целей.

Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевые приборы, являющиеся сложными преобразователями информации, находят широкое применение в разнообразных радиоэлектронных устройствах. Примером служит хорошо известный всем кинескоп – основной элемент телевизора – или осциллографическая трубка – важнейшая часть осциллографической аппаратуры различного назначения.

Развитие электронных приборов характеризуется все большим их усложнением; это обусловлено возникновением новых задач и необходимостью расширения выполняемых функций. В качестве примера можно рассмотреть усложнение кинескопов в связи с переходом на цветное телевизионное вещание. Разработка цветного кинескопа стоила американской фирме RCA 200 млн долл. и продолжалась 15 лет. Устройство кинескопа показано на рис. 5.

Рис. 5. Устройство цветного кинескопа

В цветном кинескопе три электронных прожектора; электронные пучки, создаваемые каждым прожектором, должны поочередно сходиться в одном отверстии маски, а таких отверстий в маске 500 тысяч.

Экран кинескопа покрыт не сплошным однородным слоем люминофора, а состоит из 1 500 000 одинаковых по размеру точек синего, зеленого и красного люминофора, расположенных в строго определенном порядке.

Каждый из трех электронных пучков должен попадать на люминофорные пятна только своего цвета, зажигая их с заданной яркостью 12 млн раз в секунду. Расположение цветных точек экрана и отверстий маски должно быть согласовано с точностью 10–15 мкм и таких согласований 500 тыс.

Изготовление маски представляет собой сложный многоступенчатый процесс фотолитографических и физико-химических операций высокой точности.

Материалом для изготовления маски служит низкоуглеродистая сталь высокой однородности, прокатанная с точностью +2 мкм при толщине 150 мкм. К сожалению, наша промышленность пока не в состоянии обеспечить нас хорошим металлом и некоторыми химическими материалами для электронных приборов цветного телевидения, поэтому совершенствование качества цветных кинескопов и снижение их стоимости является комплексной задачей, требующей участия многих министерств.

Цветные кинескопы выпускает вновь построенный завод «Хроматрон» (рис. 6).

Рис. 6. Участок нанесения люминофоров (завод «Хроматрон»)

Помимо кинескопов, электроннолучевые приборы включают в себя множество других классов приборов, предназначенных для оборонной техники, научных исследований и других областей. Небольшая часть таких приборов показана на рис. 7.

Рис. 7. Электронно-лучевые приборы

Это приборы, которые позволяют одновременно и независимо отображать на экране в разных цветах информацию в виде букв, цифр, условных символов и в виде радиолокационного и телевизионного изображений, совмещенных с картой местности; это и осциллографические приборы, позволяющие длительное время наблюдать осциллограммы однократно прошедших и исчезнувших сигналов; это и электронно-оптические приборы, дающие возможность видеть при отсутствии видимости.

В качестве примера рассмотрим суперортикон, «видящий» при освещенности, в 100 раз меньшей освещенности в условиях самой темной южной ночи. 500 000 сверхчувствительных элементов его фотокатода являются источниками электрических сигналов, усиливаемых внутри прибора в 10 миллионов раз.

Одним из элементов этого суперортикона является, например, мелкоструктурная сетка, содержащая на площади 7 см² 630 тыс. отверстий.

Полупроводниковая электроника

Полупроводниковые приборы, пришедшие на смену многим электровакуумным приборам, выполняют в аппаратуре функции преобразования электрических токов, обеспечивая превращение переменного тока в постоянный (выпрямление), постоянного тока – в переменный (инвертирование), усиления слабых электрических сигналов, генерирования мощности высокой и сверхвысокой частоты, преобразования в электрическую энергию других видов энергии (световой, тепловой, механической и т. п.).

Принцип действия полупроводниковых приборов основан на управлении потоком электронов в монокристаллическом полупроводнике – кремнии, германии, арсениде галлия и др.

Современные радиоэлектронные полупроводниковые приборы могут работать на частотах до 10 000 МГц с уровнем мощности в единицы и десятки ватт и давать усиление электрического сигнала на один каскад в сотни и тысячи раз. Мощность современного транзистора достигает двух киловатт.

Представление о размерах активных областей полупроводниковых приборов можно получить на примере мощного генераторного СВЧ-транзистора, в котором толщина активной области укладывается в несколько длин волн видимого света, а ее площадь умещается на срезе волоса (рис. 8).

Другой тип СВЧ-транзистора состоит 180 единичных транзисторов, многослойно размещенных на одном кристалле.

Технологический процесс изготовления полупроводникового прибора основан на ряде прецизионных обработок исходного монокристаллического материала – механической, электрохимической, фотохимической, термохимической, электронно-ионно-лучевой и др. Всего в технологическом процессе насчитывается до 275 операций, из них порядка 50 – контрольные. Полный технологический цикл изготовления прибора занимает 1,5–2,5 месяца.

Рис. 8. Мощный СВЧ транзистор

Важно подчеркнуть, что в течение всего технологического цикла обрабатывается один и тот же кристалл и брак на любой из 275 операций делает бесполезными все предшествующие операции; исправление брака полностью исключается.

В технологическом процессе применяется более ста вспомогательных материалов, таких как сверхчистые редкие металлы, сверхчистые кислоты, щелочи, органические растворители, спектрально чистые газы – водород, аргон, азот, кислород, сложные газовые смеси, сверхчистая вода и т. д.

Для получения приемлемого процента выхода годных приборов технологический выход на любой операции обработки кристалла должен быть не ниже 0,999. Этим и объясняется особое внимание, которое обращено в полупроводниковом производстве на контрольные операции. На рис. 9 показан завод, выпускающий полупроводниковые приборы.

Технологический участок по выпуску приборов производительностью в 1 млн шт. в год содержит от 140 до 230 единиц технологического оборудования (рис. 10).

Вследствие исключительно малых (микронных и субмикронных) размеров активных структур приборов, применения сверхчистых веществ и ряда фотомеханических процессов предъявляются особые требования к чистоте атмосферы сборочных цехов, температуре и влажности воздушной среды.