Лекция по "Радиоэлектронике"

ЛЕКЦИЯ 1

Исторический обзор

              Что такое электроника? – Это передача, приём, обработка и хранение информации с помощью электрических зарядов. Это наука, технические приёмы, промышленность.

              Что касается информации, то всегда, когда было человечество, это всё было. Человеческое мышление, разговорная речь, узелки на память, сигнальные костры, семафорный телеграф и т.д. – это приём, передача, обработка и хранение информации. И это было не меньше чем 5000 лет. Но только недавно, в конце 18 века, были изобретены телефон и телеграф – устройства для передачи и приёма информации с помощью электрических сигналов.  Это – начало электроники, как она сейчас называется.

              Дальше электроника довольно быстро развивается. В 1895 г. Попов изобрёл и построил действующую модель радио – электронное устройство для беспроводной передачи информации - грозоотметчик. Герц провёл опыты по распространению радиоволн, Маркони развил и применил эти опыты для построения радио с выбором передающей радиостанции по длине волны излучения.

              Но в начале не было хорошего усилительного элемента для электрических устройств. Поэтому настоящее развитие электроники началось с 1904 г., когда была изобретена радиолампа – диод, а в 1907 г. – триод. Они выглядят так, как показано на рис. Слева изображена радиолампа – диод, которая состоит из герметичного баллона, а внутри баллона – вакуум и несколько металлических конструкций с выведенными наружу электродами. Одна из них – нить накала, по ней пропускается электрический ток, который нагревает её до температуры в 700-2300 оС. Эта нить разогревает катод, к которому подводится отрицательное напряжение, и катод испускает электроны. К аноду подводится положительное напряжение, разность потенциалов довольно высокая (100-300 В), и поэтому электроны, вылетевшие из катода, полетят к аноду, и следовательно, в лампе потечёт ток. При смене знака напряжения электроны из холодного анода вылетать не будут, не будет и тока. Поэтому диод может исполнять роль выпрямителя переменного напряжения.

              На правом рис. изображена радиолампа – триод. В ней всё тоже, что и у диода, но есть дополнительный электрод – управляющая сетка. Обычно на сетку подаётся отрицательный потенциал, и она отталкивает вылетевшие из катода электроны. Поэтому чем более отрицательный потенциал сетки, тем меньше электронов протечёт от катода к аноду. Таким образом, потенциал сетки служит для управления током в радиолампе. Обычно сетка в лампе расположена к катоду гораздо ближе, чем анод, поэтому малыми потенциалами сетки можно управлять большими токами лампы. Если напряжение к аноду подаётся через большое сопротивление, то и потенциалы на аноде будут меняться сильнее, чем на сетке. Это хороший электронный усилитель напряжений.

              Радиолампы прошли очень большой путь развития. Появились более совершенные тетроды и пентоды – лампы с четырьмя и пятью электродами, обладающие большими коэффициентами усиления. Стали делать более сложные радиолампы: с более чем пятью электродами. Из них наибольшее распространение получили сдвоенные радиолампы: сдвоенные диоды, триоды, диод-триоды и т.д. Появились газонаполненные лампы – газотроны. В них есть газ, правда, находящийся под небольшим давлением. Обычно он ионизируется, появляются ионы – атомы без электрона, т.е. имеющие положительный заряд.

Протекание тока в таких лампах более сложное: он может быть как электронным, так и ионным. Размеры радиоламп были очень разными: от миниатюрных пальчиковых до громадных в рост человека.

              Изобретение триода открыло большие возможности развития электроники. Мировое количество выпускаемых радиоламп выросло ко второй мировой войне до многих миллионов штук в год. Были изобретены и созданы многие устройства по приёму и передаче информации. Телефон и телеграф, радиоприёмники и радиопередатчики. Вместо патефонов появились проигрыватели пластинок, появились магнитофоны. Начали разрабатываться телевизоры.

              Но это всё только часть задач электроники – приём, передача и хранение информации. А где же обработка информации, наиболее важная, сложная и интересная её часть? Очевидно, что её может делать только вычислительное устройство.

              К началу Второй мировой войны уже появились электронные арифмометры – обработчики цифровой информации. Но настоящее развитие этой области электроники началось с возникновения электронных вычислительных машин (ЭВМ). Оно началось в 1948 году – в США была сделана первая ЭВМ на радиолампах – ЭНИАК. Вот некоторые её параметры:

              Как видно из этой таблицы – это грандиозное сооружение. И оно обладало всеми характерными чертами современной ЭВМ: память, которая содержала данные и программу их обработки, арифметическое-логическое устройство, связь с внешними устройствами. Но, конечно, у неё ещё было и много недостатков. По сравнению с современным уровнем техники, эта ЭВМ менее сложная, чем простой калькулятор, особенно если он может программироваться. Но по весу (30 т по сравнению с 50 г), по занимаемой площади, по рассеиваемой мощности современные калькуляторы её существенно превосходят. Особенно важно, что их быстродействие никак не меньше 1 МГц, т.е. в сто раз больше, чем у первой ЭВМ.

              Но гораздо более существенным является срок службы первой ЭВМ. В основном он определялся сроком службы радиолампы. А он определяется интенсивностью отказов

                                           = 10-5 ч-1

Т.е. из 100 000 радиоламп одна откажет за время 1 час. Или другими словами, срок службы одной радиолампы равен

                                          Т = 1/ = 105 ч

Это много. Действительно, если считать, что в сутках примерно по 25 ч, то это 4 000 дней, или примерно 12 лет работы до отказа. Это неплохо.

              Но когда вместо 5-20 радиоламп одновременно должны работать 18 000 радиоламп, ситуация резко меняется. Все радиолампы служат 12 лет, но выходят из строя случайно, в любой момент времени. И выход хоть одной радиолампы из строя приводит к выходу всего устройства. В этом случае для всего устройства можно записать:

                            общ = N *  = 18 000 * 10-5 = 0,18 ч-1 

А срок службы всего устройства равен

                            Т общ = 5 ч

Т.е. срок службы ЭНИАКа всего 5 ч! В среднем через каждые 5 ч какая-то радиолампа выходила из строя. Найти из 18 000 радиоламп неработающую не так-то просто. А после того, как она найдена, надо её заменить, и провести проверку ЭВМ на работоспособность. На всё это уходило ещё около 5 ч.

              Но нам надо делать более сложные ЭВМ. Если мы усложним её так, что в ней будет в 10 раз больше радиоламп, срок службы уменьшится в 10 раз, т.е. будет равен 0,5 ч. А на ремонт будет уходить ещё больше времени. Это – катастрофа количеств.

              Всё дальнейшее развитие электроники связано с борьбой с катастрофой количеств. Для этого надо было понизить интенсивность отказов радиолампы. Но радиолампа – сложное устройство. Во-первых, внутри неё глубокий вакуум, если он потеряется, анодный ток радиолампы понизится из-за соударений электронов с атомами воздуха и с ионами, получившимися в результате этих столкновений. Сетка лампы – это проволочная спираль, которая намотана вокруг катода. Она слабая, не выдерживает перегрузок, вибраций. Нить накала нагрета до высокой температуры, поэтому испускает не только электроны, но и довольно много атомов, т.е. нить всё время испаряется. Устранить все эти недостатки и повысить срок службы не удалось.

              И вот в 1948 г. изобрели транзистор. Он выглядел так, как показано на рис.

              Он намного лучше радиолампы: меньше, легче, нет нити накала. Размеры его не больше одного миллиметра. Это цельный кусок полупроводника, весьма прочного кристалла, по прочности не уступающего стали или чугуну. Поэтому у транзистора интенсивность отказов меньше, примерно  = 10-7 ч –1   .

              Транзисторы очень быстро завоевали рынок сбыта. Уже в 1949 г. в США сделали первую транзисторную ЭВМ, аналогичную ЭНИАКу – т.е. через год после изобретения транзистора. Для иллюстрации этого приведём цитату из журнала

"Наука и жизнь", 1986,  № 2, с. 90:

"... если вести отсчёт от первых машин, то сегодня объёмы внутренней памяти ЭВМ увеличились в сотни раз, а быстродействие – в сотни тысяч раз, в тысячи раз уменьшилось потребление энергии, и снизилась стоимость. Специалисты прикинули, что если бы такими темпами прогрессировало автомобилестроение, то машина класса "Волги" двигалась бы чуть ли не со скоростью света, потребляла бы несколько граммов бензина на сотню километров и стоила бы несколько рублей".

А ведь это было 15 лет назад!

              Посмотрим подробнее, как же был изобретён транзистор? Оказывается, его изобрели, исследуя влияние двух р-п переходов (полупроводниковых диодов) друг на друга, расположенных на очень малом расстоянии. (Это показано на рис.)

              Две металлические очень острые иглы помещались на поверхности германия (полупроводник) на малом расстоянии

друг от друга, и затем прижигались (пропускался сильный ток на

короткое время). При этом происходил разогрев полупроводника, металл частично растворялся в полупроводнике, и также диффундировал внутрь его. Металл подбирался таким образом, что его атомы создавали электронный полупроводник (п-тип). Таким образом получались два р-п перехода. А так как они были очень близки, то вступали во взаимодействие, и получался транзистор.

              Первые транзисторы так и изготовлялись, и эта технология называлась точечной. Очевидны недостатки её. Дело в том, что по теории транзисторов расстояние между р-п переходами должно быть намного меньше диффузионной длины (что это такое, мы скажем в следующих лекциях), а она очень маленькая, лежит в пределах от единиц до десятков микрометров (обычно говорят микронов). Расположить две иголочки так близко невозможно – микрон значительно меньше толщины человеческого волоса (примерно 50 мкм).

Можно предположить, что расстояние между иголками сравнимо с толщиной человеческого волоса и примерно равно 0,1 мм, или 100 мкм. Далее нужно пропустить искру электрического разряда через иголочки, так, чтобы произошли плавление, растворение и диффузия металла. Процесс трудно воспроизводимый. Поэтому многие транзисторы, изготовленные по этой технологии, оказывались бракованными: то р-п переходы сливались, то расстояние между ними было слишком большим. А сам коэффициент усиления транзистора был вообще случайной величиной.

              Требовалось совершенствование технологии изготовления транзисторов. Первый шаг в этом направлении был
получен, когда точечную технологию заменили на сплавную (см. рис.). Здесь изображена основная конструкция, применяемая в этом методе: две графитовые пластины с небольшими ямками для алюминия окружают с двух сторон пластину германия с электронной электропроводностью (п-типа). Эта конструкция помещается в печь с высокой температурой (600-800оС). Аллюминий расплавляется и диффундирует в германий. Когда диффузия прошла на достаточно большую глубину, процесс прекращают. Аллюминий является акцептором, т.е. там, где прошла диффузия, германий стал полупроводником с дырочной электропроводностью (р-типа). Выглядит это так:

Теперь надо только разрезать полученную пластину на кусочки, содержащие по три разных типа электропроводности (транзисторы), посадить в корпус и припаять кристалл к ножкам – транзистор готов.

              Сплавные транзисторы намного лучше точечных: более управляемый процесс диффузии, просто поддерживается постоянная температура в печи и регулируется время диффузии. Точечная технология была вытеснена сплавной.

              Однако у сплавной технологии есть определённые недостатки, к основным из них относится то, что диффузия проводится с разных сторон. Толщина пластины не может быть меньше 0,5...1 мм, так как иначе она станет гибкой, будет сворачиваться, и нельзя будет считать, что пластина плоская. Значит, толщина, на которую нужно провести диффузию, как минимум 250 мкм, толщина базы 1...5 мкм, и её надо сделать точно (с точностью не хуже 1 мкм). В итоге надо сделать диффузию на глубину 250 мкм с точностью не хуже 1 мкм. Это трудно осуществимо.

              Постепенно в ходе разработки технологии изготовления транзисторов пришли к диффузионной технологии, в основе которой лежит фотолитография.

              Кратко опишем фотолитографию. Её задачей является создание на поверхности кремния (он лучше всего подходит для фотолитографии) маски для диффузии, которая потом будет производиться локально. Эта маска должна выдерживать очень высокие температуры (1200...13000С). Для этой цели годится оксид кремния, который получается очень просто путём окисления самого кремния при высоких температурах в парах воды и в кислороде. Его толщина порядки 1 мкм, но этого достаточно, чтобы не дать атомам примеси продиффундировать в полупроводник. Но в нужных местах в диоксиде кремния делают отверстия (окна), которые и будут определять, где пройдёт локальная диффузия.

              Для изготовления окон обычно используют фоторезист – это практически фотоэмульсия, котора обладает особыми свойствами: