Категория: История

Рождение новой отрасли — полупроводниковой электроники




  • Не нравится
  • 0
  • Нравится





  • Рождение новой отрасли — полупроводниковой электроникиРождение радиоэлектроники произошло на рубеже XIX и XX веков, когда были сделаны открытия Попова и Маркони в области приема и передачи радиоволн. За этими открытиями последовало ускоренное развитие теории электромагнитных волн, а также - электровакуумных приборов. В короткие сроки начался промышленный выпуск генераторных радиоламп и были созданы широковещательные радиостанции.

    Наибольшее влияние на развитие электровакуумных приборов оказало продвижение работ по радиолокации, так как требования, предъявляемые создателями радиолокационных станций к радиолампам, как по мощностям, так и по частотам, были очень высокими.
    Вторая мировая война оказала сильнейшее влияние на развитие радиотехники высоких и сверхвысоких частот и фактически сформировала требования к созданию более современных радиотехнических устройств, в которых параметры электронных ламп уже не могли удовлетворить возросшие потребности разработчиков радиоаппаратуры.

    Устройствами, которые позволили перешагнуть рубеж, обусловленный отдельными параметрами вакуумных приборов, стали полупроводниковые приборы. Еще в 20-х годах в России под руководством О.В. Лосева были созданы первые полупроводниковые детекторы, положившие начало созданию отечественной полупроводниковой электроники. Появились купроксные и селеновые выпрямители, фотоэлементы, термоэлектрические преобразовательные элементы. В 30-е годы очень быстрыми темпами развивается физика твердого тела. Работы А.Ф. Иоффе и руководимого им коллектива ученых фактически заложили основы физики полупроводниковых приборов.

    К началу Великой Отечественной войны наша армия имела ограниченное число радиолокаторов. Ленинградский радиозавод успел выпустить всего 45 комплектов «радиоулавливателя самолетов» РУС-1. В начале войны локатор «Перматит» помог отразить первый массированный налет на Москву. Радар обнаружил массу немецких самолетов за 160 километров от столицы. К сожалению, таких станций было очень мало. Промышленность в массовом порядке их не выпускала. И это несмотря на то, что еще в 1937 году группой ученых под руководством Ю.Б. Кобзарева были созданы первые образцы радиолокаторов с высокими тактико-техническими характеристиками. Более того, разработка эта была удостоена Сталинской премии. Однако военное руководство полагало, что суть нашей обороны - война на территории противника, а для этого небесный щит был не нужен. Понадобилось два жестоких военных года, чтобы, наконец, вспомнили о радиолокации. И вот по инициативе академика Акселя Ивановича Берга в 1943 году было принято решение Государственного совета обороны страны о создании специального института по проблемам радиолокации.

    Институт получил наименование ЦНИИ-108, и руководить им поручили А.И. Бергу, который стал заместителем наркома обороны. Предстояло не только наверстать годы отставания, но и постараться превзойти зарубежных коллег: ведь шла война.
    Важное значение имели исследования и разработки, направленные на повышение чувствительности и устойчивости к внешним воздействиям СВЧ-диодов — в то время единственного типа прибора для преобразования СВЧ-колебаний. Эти работы как раз и велись в ЦНИИ-108 под научным руководством профессора С.Г. Калашникова коллективом, в который входили А.С. Дроздов, НА. Пенин, Н.Е. Скворцова, Г.А. Кубецкий и др.

    С.Г. Калашников был выдающимся ученым, внесшим крупный вклад в различные области физики. В 30—40-ые годы им были проведены исследования дифракции медленных электронов на поверхности кристаллов и их рассеяния на тепловых колебаниях поверхности кристаллов. В 1940 г. он защитил докторскую диссертацию по теме «Исследование дифракции медленных электронов». Эти работы во многом определили развитие физики поверхности твердых тел. Результаты работ С.Г. Калашникова объясняли частотные свойства германиевых и кремниевых диодов.

    В тот период, когда во многих странах, в том числе в СССР, проводились широкомасштабные работы по германиевым и кремниевым диодам, произошло событие, от начала которого принято отсчитывать эру информационного общества.
    Я.А. Федотов писал: «В декабре 1947 г. Бардин и Браттейн — два исследователя фирмы «Белл» (США) занимались изучением распределения потенциала вокруг точечного контакта германиевого СВЧ-детектора с целью повышения его надежности и чувствительности. В ходе этих исследований было обнаружено, что при расстоянии между точечными контактами порядка 10—12 микрометров оказывается возможным управлять током через один из контактов с помощью тока через второй контакт. Степень управления — коэффициент усиления по току — сильно зависела от материала зондов и «формовки» при пропускании импульсов тока через один из контактов. В среднем величина коэффициента усиления по току составляла около 2,5. Таким образом, этот эффект лег в основу полупроводникового прибора, получившего название точечно-контактного транзистора, или транзистора типа «А». Научной основой изобретения были интереснейшие явления в полупроводниках: проводимость, обусловленная носителями тока двух знаков -электронов и дырок; инжекция носителей через электронно-дырочный (р-n-) переход; диффузия и рекомбинация неравновесных электронов и дырок.

    Это открытие стало началом нового этапа развития физики твердого тела, создающего основы полупроводниковой электроники.
    Первая публикация об этом открытии появилась в журнале «Physical Review» в июле 1948 г., и этот год стал считаться годом изобретения транзистора. Авторы — изобретатели биполярного транзистора Уиллиам Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в 1956 году были удостоены Нобелевской премии, а их детище — транзистор — начал свое триумфальное шествие по миру.

    Фирма «Белл» в 1949 году выполнила макет имитатора морского артиллерийского боя на 20 000 транзисторов типа «А», т.е. — на точечных транзисторах. Число транзисторов здесь превосходило число ламп в первой ламповой ЭВМ «ЭНИАК» (18000), но при этом была обеспечена более высокая надежность работы.
    Вычислительная техника в это время ограничивалась числом ламп не более 5—6 тысяч, и ограничения накладывала главным образом проблема надежности.

    Сообщение об изобретении транзистора вызвало интерес во всем мире. «Уже в сентябре того же года, — вспоминал А.В. Красилов, — я направил в журнал «Вестник информации» статью «Кристаллический триод». Она явилась первой публикацией в нашей стране о транзисторе. В ней были изложены основные сведения о германии, механизме прохождения тока через полупроводниковое устройство и принцип действия транзистора. Статья опубликована на первых страницах журнала № 21 (41) от 15 ноября 1948 г.

    В то время трудно было предвидеть, что разработка и применение транзистора окажет такое большое влияние на радиотехнику, вычислительную технику и другие отрасли в производстве, технике и в быту. Статья заканчивалась следующими словами: «Сейчас еще трудно сказать, насколько оправдаются возлагаемые на «кристаллический триод» надежды. По-видимому, он скорее дополнит, чем заменит собой электронные лампы».

    В Советском Союзе первая НИР по транзисторам была поставлена в НИИ-160 (в дальнейшем -НИИ «Исток») в декабре 1948 г. Работа была выполнена Сусанной Мадоян - дипломницей Химико-технологического института им. Д.И. Менделеева под руководством А.В. Красилова. Об этой работе будет написано ниже.
    В 1950 г. в НИИ-160 в лаборатории полупроводников НИР по транзисторам были продолжены, что позволило получить первые отечественные транзисторы. Работы проводились в процессе подготовки дипломов — сначала С.Г. Мадоян, затем — Ф.А. Щиголем.
    В 1951 г. академик А.И. Берг созвал совещание по транзисторам, где присутствовали руководители работ по полупроводникам различных организаций: от Ленинградского физико-технического института АН СССР Д.Н Наследов и В.М. Тучкевич, отФИАНаБ.М. Були А.В. Ржанов, от ЦНИИ-108 С.Г. Калашников и Н.А. Пенин, от Украинской Академии наук В.Е. Лашкарев и от НИИ-160 А.В. Красилов. В результате вышло постановление правительства о начале работ по транзисторам. Были поставлены ОКР «Точка» в НИИ-160 по точечным транзисторам и НИР «Плоскость» по плоскостным транзисторам со сроком окончания в 1953 г. НИР «Плоскость» выполнялась параллельно несколькими организациями: Ленинградским физико-техническим институтом АН СССР (руководитель Д.Н. Наследов), ФИАНом (руководитель Б.М. Вул). В НИИ-160 руководство работами по транзисторам было доверено А.В. Красилову. Работы были закончены сдачей госкомиссии в конце 1953 г.

    История организации НИИ-35 (в дальнейшем НИИПЭ — НИИ полупроводниковой электроники, а затем — НИИ «Пульсар») описана А.В. Красиловым:
    «В ноябре 1952 вышел специальный номер наиболее авторитетного радиотехническогого журнала США «Труды института радиоинженеров», полностью посвященный транзисторам. Стало ясно, что транзисторами нужно заниматься серьезно. И первыми это, вероятно, поняли академик А.И. Берт, являвшийся тогда заместителем министра обороны, и А.Н. Щукин — руководитель Научно-технического совета при Совете Министров СССР.

    В начале 1953 г. А.И. Берг подготовил аргументированное письмо ЦК КПСС о развитии работ по транзисторам. В апреле или мае 1953 г. произошли большие изменения в организации промышленности. Были объединены в одно министерство электротехническое и радиотехническое министерства, и министром стал член политбюро М.Г. Первухин.

    Первое совещание, посвященное развитию работ по полупроводникам, было проведено М.Г. Первухиным в его кабинете в Кремле (не позже мая 1953 г.). Среди участников были академики А.Ф. Иоффе и А.И. Берг. Совещание приняло решение об организации Н И И по полупроводникам в составе Министерства электропромышленности и о развитии работ по полупроводникам в Академии наук (в частности, об организации института полупроводников АН СССР). Вскоре после этого М.Г. Первухин посетил НИИ-160 и познакомился с работами лаборатории полупроводников.

    В конце мая и в июне подготовка постановления по полупроводникам вступила в заключительную стадию. Основные работы проводились техническим управлением министерства.
    Было решено разместить новый НИИ в Москве, и для него подыскивалось помещение. «Меня, - вспоминал А.В. Красилов, - вызвал начальник технического управления и послал к директору одного из СКБ (СКБ 627) осматривать предлагаемые площади. СКБ занималось, в основном, магнитами. Там выпускали лучшие в СССР магниты для магнетронов. В отделе Ф.М. Гальперина, где работали будущие сотрудники НИИ «Пульсар» Ю.С. Акимов, Е.З. Мазель, Ю.А. Концевой и другие, разрабатывали покрытие для самолетов, затрудняющее их обнаружение радиолокаторами. К этому времени в СКБ был построен, но еще не запущен кирпичный пятиэтажный корпус. Меня лично директор СКБ встретил хорошо, но, естественно, сопротивлялся передаче корпуса под работы по полупроводникам. Против перехода СКБ на полупроводниковую тематику возражали и сотрудники СКБ и партийная организация. Возражал также первый заместитель министра, так как это СКБ было его любимым детищем».

    Ю.А. Концевой вспоминает: «Ф.М. Гальперин был профессором и заместителем директора СКБ 627 по научной работе. Прекрасный организатор, он сумел подобрать толковых молодых специалистов; в отделе имелось хорошее оборудование, а в СКБ был хороший станочный парк и трудились квалифицированные рабочие. Можно было, в случае необходимости, получать самые современные измерительные приборы.

    Может быть, для того чтобы произвести на нас впечатление, Федор Матвеевич рассказывал нам, что СКБ в прошлом курировал сам Берия (который к этому времени был арестован и расстрелян). Тему по антирадиолокационным покрытиям в качестве председателя госкомиссии принимал будущий нобелевский лауреат А. М. Прохоров, с которым впоследствии я неоднократно встречался. Однако эти работы были в 1954 году в значительной степени свернуты.

    Тем не менее в этом же году в СКБ приехал член политбюро и министр М.Г. Первухин, которому мы с Е.З. Мазелем были представлены как молодые инженеры, ведущие столь важную работу. Первухин оценил ситуацию и принял решение о свертывании всех работ по магнитной тематике и о переводе ряда специалистов в другие институты или СКБ. Ряд сотрудников, и я в том числе, решили остаться и перейти на полупроводниковую тематику».

    А.В. Красилов вспоминал: «Первый заместитель М.Г. Первухина считал, что достаточно создать ОКБ. Но по настоянию М.Г. Первухина в постановлении было оговорено создание НИИ-35 и, что особенно важно, — опытного завода при НИИ-35. В постановление были включены также пункты о создании межведомственного совета по полупроводникам под председательством заместителя министра В.И. Сифорова (а позже А.А. Захарова). Совет собирался раз в месяц и заседал в НИИ-35. Его членами были А.И. Берг, А.Ф. Иоффе, В.М. Вул. Постановлением о создании НИИ-35 предусматривалась организация выпуска специалистов по полупроводникам. Первые специалисты по полупроводниковым приборам стали подготавливаться в Московском энергетическом институте на кафедре Н.Г. Дроздова. За несколько лет было выпущено несколько десятков специалистов, ставших впоследствии ведущими в данной области».

    Первым директором НИИ-35 был К. А. Гладков. На его долю достались трудные времена начала строительства новой для страны отрасли — электроники. С апреля 1954 г. директором института становится А. А. Маслов.
    Институт фактически состоял в это время из четырех подразделений:
    — отдела № 2 (диодов) — начальник А.Н. Пужай, а специалисты по полупроводниковым диодам были переведены с завода «Старт»;
    — отдела № 3 (транзисторов), организованного крупным специалистом, кандидатом технических наук А.В. Красиловым, отдел занимался транзисторами и СВЧ-диодами;
    — третьей составляющей института была физическая лаборатория кандидата физико-математических наук М.И. Иглицына;
    — отдел № 4 под началом В.В. Кобзева, а затем И.П. Степаненко занимался вопросами применения нового класса приборов.

    В институте работал коллектив специалистов, занимающихся литыми магнитами и ферритами. Имелось также литейное производство крупных магнитов для атомной промышленности. Институт располагал небольшим пятиэтажным лабораторным корпусом и одноэтажным помещением завода - недостроенным гаражом.
    Я.А. Федотов вспоминал: «Транзисторы виделись разработчикам аппаратуры как альтернатива лампам в виде высоконадежных, экономичных, малогабаритных приборов». Однако и Я.А. Федотов говорил о том, что «всплеск энтузиазма сменился вскоре горьким разочарованием: транзистор не оправдывал возлагавшихся на него надежд. И в первую очередь, это касалось нестабильности характеристик, в основном температурной нестабильности. Разочарование было столь велико, что многие ведущие специалисты-разработчики заявляли, что транзистор не годится для создания серьезной аппаратуры, и область его перспективного применения — только бытовая техника. Причиной же такого положения оказалось отсутствие широких экспериментов по изучению возможностей оптимального использования транзисторов в аппаратуре».

    О том, как воспринималась идеология транзисторов, Я.А. Федотов вспоминал: «Знакомство с основами полупроводниковой электроники я начал в 1952 году с перевода первой части книги В. Шокли «Электроны и дырки в полупроводниках». Впоследствии при издании этой книги па русском языке «дырки» были «изгнаны» из названия. Категорически отметался и термин «транзистор», который заменялся на «кристаллический триод» В тексте «дырку» удавалось сохранить, несмотря на постоянные попытки редакционных работников заменить «дырку» на «отверстие».

    Я.А. Федотов вспоминал: «В то время, в августе-сентябре 1953 г., у С.Г. Мадоян появились первые образцы плоскостных транзисторов. Один из них я применил для выходного каскада УНЧ. На выходе этого приемника стоял пьезоэлектрический громкоговоритель. В начале 1954 г. я уже смог продемонстрировать макет радиолинии в диапазоне средних волн. Передатчик был выполнен на точечном транзисторе и замодулирован обычным угольным микрофоном».

    «На меня, — вспоминал Я.А. Федотов, — была возложена обязанность исследования транзисторов. В это время к транзисторам предъявлялись две основные претензии: разброс и температурный дрейф параметров и низкий температурный предел работы. С разбросом параметров пытались бороться как технологическими методами, так и разбраковкой транзисторов на многочисленные группы. Довольно скоро стало очевидно, что этот второй путь не является перспективным, так как не обеспечивает комплектацию и выпуск транзисторной аппаратуры. Температурный дрейф параметров удалось в значительной степени компенсировать схемными методами слушателям-дипломникам ВВИА им. Жуковского А.Ш. Акбулатову и Е.П. Чигину. Что же касается ограничения диапазона рабочих температур германиевых транзисторов температурой в +70°С, то здесь неумолимо вставала необходимость осваивать кремний. Тем не менее работы в области германиевых транзисторов продолжались. Была успешно сдана генеральному заказчику НИР «Плоскость», и НИИ-35 перешел к ее опытно-конструкторскому этапу и внедрению.

    Приступила к очередным работам и лаборатория С.Г. Калашникова. Одна из работ - сплавные германиевые транзисторы с тонкой базой на частоты до 1,0...1,5 МГц. Образцы транзисторов изготавливались в нескольких сотнях экземпляров и предоставлялись многочисленным НИИ и КБ для исследования возможностей их применения. Материалы этих работ изучались, обобщались и дали возможность уже в 1956 г. издать первый выпуск сборника «Полупроводниковые приборы и их применение» объемом 35 статей (30 печатных листов).

    В НИИ-35 в этот период по образцу технологии фирмы «ТЕМКО» велись работы по получению транзисторов с тонкой базой методами струйного электрохимического травления - так называемых поверхностно-барьерных транзисторов. Работы эти вели В.К. Невежин, Е.А. Ефимов, И.Г. Ерусалимчик, И.Н. Рубцов и Ю.А. Концевой.

    Ю.А. Концевой вспоминает: «Технология поверхностно-барьерных (а впоследствии микросплавных) транзисторов с точки зрения сегодняшнего дня являлась типично тупиковой. Каждый кристаллик размеров 2x2 мм вставлялся под микрострую электролита и травился до тех пор, пока не появлялась красная область, свидетельствующая о том, что толщина базы стала порядка одного-двух микрометров. Через несколько секунд вместо базы появлялось протравленное отверстие. Мною совместно с В.Д. Кудиным и Н.И. Гусаковым при использовании созданных Е.А. Георгиевской фотодиодов была разработана фотоэлектрическая аппаратура, позволяющая прекращать травление при достижении тонкой базы. Тем не менее производительность процесса была крайне низкой. От этой технологии через какое-то время отказались».

    В это же время продолжалась совместная работа НИИ-35 и ЦНИИ-108 по теме, имеющей целью расширить диапазон отдаваемой мощности в области низких частот до 10-30 Вт. В НИИ-35 ее вел ММ. Самохвалов, в ЦНИИ-108 - ГА. Кубец-кий, который вскоре перешел в НИИ-35 и стал начальником отдела.
    В ходе совместных работ частотный предел транзисторов, изготовленных методом сплавления-диффузии, М.М. Самохвалову удалось поднять до 30-60 МГц, а затем и выше. Так были созданы транзисторы типов П401-П403 и П410-П411. М.М. Самохвалов использовал новый метод, при котором база транзистора формировалась за счет диффузии сурьмы из твердого рекристаллизованного слоя эмиттера, состоящего из индия с примесью сурьмы. Для своего времени это была выдающаяся технология, не имеющая аналогов за рубежом.

    Важно отметить, что именно в ходе этих работ появились первые идеи групповой обработки пластин, т.е. изготовления одновременно на одной пластине нескольких десятков транзисторов. После этого пластина разрезалась на кристаллы, и каждый кристалл поступал на сборку в корпус. Идеи интегральной электроники должны были вот-вот появиться.

    «К сожалению, — вспоминал ЯА. Федотов, — в ЦНИИ-108 эти работы были прерваны. Старое здание физфака МГУ на Моховой отдали под вновь образованный Институт радиотехники, электроники и автоматики (ИРЭ АН СССР), куда перешла на работу значительная часть творческого коллектива. Военнослужащие вынуждены были остаться в ЦНИИ-108, и только часть сотрудников перешла на работу в НИИ-35. В ИРЭ АН СССР коллектив занялся фундаментальными, а не прикладными исследованиями. Центр тяжести разработок в области транзисторной электроники принял на себя НИИ-35. К этому времени был создан второй полупроводниковый институт — НИИ-311 (в дальнейшем — НИИ «Сапфир»). Его основным научно-производственным профилем в то время были определены диоды.

    Первой производственной базой, освоившей выпуск транзисторов, стал цех завода «Светлана». Параметры и характеристики промышленных образцов точечных (С1...С2) и плоскостных (П1...ПЗ) транзисторов разработки НИИ-35 и опытных образцов мощных (10... 12 Вт) транзисторов совместной разработки НИИ-35 и ЦНИИ-108 были также опубликованы в сборнике «Полупроводниковые приборы и их применение».

    Далее Я.А. Федотов вспоминал:
    «Радиотехническая конструкторская элита отнеслась с сильным предубеждением к рассмотренному выше новому типу приборов. В 1956 г. на одном из ее совещаний, определявших судьбу полупроводниковой промышленности в СССР, прозвучало следующее: «Транзистор никогда не войдет в серьезную аппаратуру. Основная перспективная область их применения — это аппараты для тугоухих. Сколько для этого потребуется транзисторов? Тысяч тридцать пять в год. Пусть этим занимается Министерство социального обеспечения». Кстати, следует отметить, что в США в 1956 г. было выпущено 360 000 слуховых аппаратов, из них только 25 тысяч на электронных лампах. Указанное решение на 2—3 года затормозило развитие полупроводниковой промышленности в СССР».

    Как же развивалось новое направление за рубежом?
    В 1957 году ученые, покинувшие компанию Shockley Semiconductor Laboratories, объединили личные средства и приступили к разработке технологии массового производства кремниевых транзисторов по методу двойной диффузии и химического травления. Эта технология позволяла одновременно получать на одной пластине сразу сотни транзисторов. Имена большинства этих людей стали в дальнейшем знаковыми для электронной отрасли: Гордон Мур (Gordon E. Moore), Шелдон Роберте (С. Sheldon Roberts), Евгений Клайнер (Eugene Kleiner), Роберт Нойс (Robert N. Noyce), Виктор Гринич (Victor H. Grinich), Джулиус Бланк (Julius Blank), Джин Хоерни (Jean A. Hoerni), Джей Ласт (Jay T. Last). Для серьезной работы собранных средств было совершенно недостаточно, и тогда в качестве инвестора выступила компания Fairchild Camera and Instrument и 1 октября 1957 года была основана компания FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. А уже через полгода FAIRCHILD SEMICONDUCTOR получила первую прибыль: компания IBM закупила 100 транзисторов по цене $150 за штуку.

    Развитие полупроводниковой промышленной базы у нас началось практически с 1958 года. Под полупроводниковые предприятия были выделены: разрушенное здание совпартшколы в Новгороде, спичечная фабрика в Таллине, завод «Сельхоззапчасть» в Херсоне, ателье бытового обслуживания в Запорожье, макаронная фабрика в Брянске, швейная фабрика в Воронеже, коммерческий техникум в Риге.
    Потребовалось почти десять лет для того, чтобы на этой базе создать сильную полупроводниковую промышленность, обеспечившую как оборонную, ракетно-космическую, так и народно-хозяйственную электронику.

    По материалам сайта kazan.rabotavia.ru - работа и вакансии Казань.

    Комментарии

    
    Имя:*
    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
    *