Возможно, самым выдающимся изобретением за последние 50 лет было создание полупроводниковой микросхемы. Она была изобретена в 1959 г. американскими инженерами Д. Килби и Р. Нойсом, будущим основателем корпорации Intel. Независимо друг от друга, но практически одновременно, они предложили компоновать отдельные электронные элементы на общем (интегральном) основании, изготовленном из полупроводниковых материалов. В 1961 г. компания Fairchild Semiconductor, которую возглавлял Р. Нойс, первой в мире наладила коммерческое производство полупроводниковых микросхем, и с тех пор в электронной технике вместо большого числа транзисторов стали применяться микросхемы. Размеры электронных устройств резко уменьшились, появились новые функциональные возможности.
Полупроводники – это вещества, по своей электропроводности занимающие промежуточное положение между металлами и изоляторами. В электронике используются в основном такие полупроводниковые материалы, как кремний, германий, арсенид галлия, селен. Носителями тока в них являются отрицательно заряженные свободные электроны, оторвавшиеся от своих атомных ядер; их количество сильно зависит от температуры. Пустые места, которые освобождают электроны, физики условно назвали «дырками». «Дырки» существуют очень недолго и постоянно меняют свое местоположение, потому что если «дырку» заполняет какой-либо электрон, «дырка» возникает в другом месте. Для удобства принято, что по свойствам «дырки» аналогичны электронам, только имеют положительный заряд и несколько большую массу. В идеальных кристаллах количество электронов и «дырок» одинаково, но если в кристалл полупроводника ввести примеси некоторых веществ, равенство нарушается. Преобладание электронов или «дырок» определяет тип проводимости («n» или «p» – negative или positive – электронная или «дырочная»).
Если соединить два слоя полупроводников с разными типами проводимости, электроны смещаются из одного в другой, оставляя в первом «дырки». Между слоями с различными типами проводимости возникает так называемый запорный слой с повышенным электрическим сопротивлением, поскольку он обеднен носителями заряда, при этом свойствами запорного слоя можно управлять путем приложения к нему напряжения (а также светом). Напряжение одной полярности будет уменьшать сопротивление запорного слоя, напряжение другой полярности – увеличивать. Таким образом, двухслойную «p – n» структуру (диод) можно использовать для пропускания тока только в одном направлении, а сочетание двух «p – n» переходов в трехслойной структуре позволяет управлять величиной тока, протекающего через полупроводниковый прибор.
Комбинация полупроводников с разными типами проводимости обладает и другими замечательными свойствами. Она может создавать э. д. с. (электродвижущую силу) при падении света на прибор либо, наоборот, излучать свет при прохождении тока определенной полярности, вырабатывать термоэлектричество, создавать разность температур на разных концах (эффект Пельтье).
Широко распространены полупроводниковые датчики температуры, тензодатчики (датчики деформаций), датчики магнитного поля.
Изобретенные в начале XX века ламповые диоды и триоды стали основой разнообразных электронных устройств – радиоприемников и передатчиков, усилителей, измерительных приборов и автоматики. Однако лампы, при всех их достоинствах (высокое качество ламповых усилителей звука, большая мощность ламповых передатчиков, отсутствие до недавнего времени альтернативы кинескопам и др.), имеют серьезные недостатки – большое потребление энергии, требуемой для разогрева катодов, большие габариты аппаратуры, выполненной на их основе, и недостаточную надежность. Кроме этого, любая электронная схема содержит многочисленные резисторы, конденсаторы, соединительные проводники, а также зачастую намоточные детали и механические узлы. Элементы соединяются между собой пайкой, иногда сваркой. Аппаратура была трудоемкой в изготовлении и дорогой.
Попытки обойти эти недостатки оказались не слишком успешными, и вполне закономерно физики и инженеры стали искать иную элементную базу.
В самом начале 20-х гг. началась эра твердотельных полупроводниковых приборов. Молодой физик О.В. Лосев разработал в Нижегородской радиолаборатории первый полупроводниковый диод – кристадин. Он успешно использовался для усиления и генерирования электрических колебаний. В дальнейшем появились диоды и других типов – выпрямительные, точечные, варикапы, стабилитроны, туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.
Физика твердого тела стала интенсивно развиваться. В нашей стране в ее развитие наибольший вклад внесла научная школа академика А.Ф. Иоффе.
В 1948 г. американские изобретатели У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин создали новый усилительный полупроводниковый прибор – транзистор (триод) с токовым управлением, совершив коренной переворот в электронике. В результате использования полупроводниковых диодов и триодов резко уменьшились габариты аппаратуры и потребление энергии, повысилась надежность. Существует два варианта транзисторных структур – «p – n—p» и «n – p—n», их сочетание позволило резко упростить схемотехнику электронных устройств по сравнению с ламповыми конструкциями и в некоторых случаях избавиться от громоздких трансформаторов.
В дальнейшем (Шокли, США, 1952 г. и Тезнер, Франция, 1958 г.) были созданы и другие типы многослойных полупроводниковых приборов – так называемые полевые транзисторы с управлением напряжением, по характеристикам схожие с электронными лампами и имеющие огромные коэффициенты усиления по мощности. В настоящее время управляемые электрическим полем MДП-структуры (металл – диэлектрик – полупроводник) являются «элементарными ячейками» интегральных цифровых микросхем.
Были созданы также четырехслойные (тиристоры) и пятислойные (симисторы) приборы для работы в ключевом режиме в силовых цепях.
Однако жизнь властно требовала дальнейшего совершенствования электронных устройств. Трудоемкость изготовления, материалоемкость и габариты были все еще слишком высоки. Переход на печатные платы позволил частично решить эти проблемы, но большое число отдельных электронных компонентов ставило свои ограничения. Нужно было сводить к минимуму количество паяных соединений, снижающих надежность, и длину соединительных проводников, снижающую быстродействие. От многочисленных резисторов и конденсаторов тоже необходимо было как-то избавляться, хотя бы частично.
Развитие вычислительной техники поставило также задачу создания сверхминиатюрных ячеек памяти и логических элементов. Эта задача принципиально не могла быть решена вне рамок твердотельной технологии.
Дальнейший прогресс электроники связан с использованием интегральных схем. Интегральная микросхема – это миниатюрный электронный прибор, элементы которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. «Сердце» интегральной микросхемы – кристалл особо чистого полупроводникового материала (чаще всего кремния), в структуре которого произведены сложные целенаправленные изменения. Отдельные области кристалла становятся элементами сложной системы. К определенным точкам кристалла присоединяются выводы микросхемы (иногда их несколько десятков), которые припаиваются к печатной плате электронного устройства. В кристалле с помощью специальных методов (диффузия, напыление, травление и др.) создаются транзисторы (в современном микропроцессоре их многие миллионы), диоды, резисторы, конденсаторы (разумеется, в ограниченном диапазоне емкостей). Некоторые электронные компоненты невозможно ввести в интегральные микросхемы, поэтому, кроме микросхем, на печатных платах часто присутствуют намоточные узлы и конденсаторы большой емкости и специального назначения, разъемы, датчики и индикаторы, а также мощные полупроводниковые приборы.
Существуют и пленочные микросхемы на керамической подложке, на которой формируют элементы путем осаждения различных материалов (алюминий, титан, титанат бария, оксид олова) в виде тонких пленок. Для получения интегральных схем с определенными функциями наносят многослойные структуры через трафареты. Между слоями создаются в нужных местах связи.
Пленочные и полупроводниковые элементы могут располагаться в одном корпусе микросхемы (так называемая гибридная технология). Возможны и сочетания в одном корпусе, например, управляющей логической схемы и высоковольтного мощного ключевого транзистора для систем зажигания автомобильных двигателей. Вариантов гибридных схем множество.
Естественно, изготовить современную интегральную микросхему возможно только на полностью автоматизированном оборудовании с управлением от компьютера. Более того, даже разработку топологии микросхемы уже невозможно выполнить без вычислительной техники – настолько она сложна.
Все процессы изготовления интегральных микросхем требуют высококачественных материалов и точного оборудования, высочайшей культуры производства, стерильной чистоты.
В настоящее время интегральные схемы широко используются в компьютерах, контрольно-измерительной аппаратуре, аппаратуре связи, бытовых радиоэлектронных приборах. Устройства, основанные на твердотельных и цифровых технологиях, успешно вытесняют традиционные устройства. Например, стали возможны часы, фотоаппарат и «магнитофон» без движущихся частей, плоский телеэкран. Микрочипы «зашивают» даже в документы и вживляют под кожу. Возможности микроэлектроники поистине необозримы.
Плотность размещения элементов в микросхемах становится все больше, так как размеры элементов постоянно уменьшаются, их уже нельзя измерить в микрометрах. На повестке дня – нанотехнологии.