Текст книги "Приключения радиолуча"

Автор книги: Валерий Родиков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 23 страниц)

«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.)

На основе микросхемы был создан прибор «Оптакон», включающий в себя миниатюрную фотокамеру, которая по буквам считывала тексты с обычных книг и газет. Новый чип преобразовывал начертания букв в электрические импульсы, с помощью которых автоматически составлялись знаки рельефно-точечной азбуки Брайля для слепых.

Если интегральные схемы произвели революцию в компьютерной технике, сделали ее доступной рядовому пользователю, то высоковольтные чипы произведут еще одну электронную революцию, только в иной сфере – в области промышленной и бытовой электротехники. «Силачи» могут переключать токи в десятки и даже более сотни ампер. Это стало возможным благодаря параллельному соединению десятков тысяч транзисторов в крошечном кристалле.

Особая польза ожидается от применения высоковольтных чипов в небольших электромоторах переменного тока, и их частота вращения жестко связана с частотой сети – 50 герц. Электромоторы расходуют в США около 60 процентов всей электроэнергии страны, и большая ее часть тратится впустую, так как они работают в режиме постоянной скорости.

«Силач» может электронно регулировать частоту вращения электродвигателей и, следовательно, потребляемую энергию. Например, число оборотов электродрели будет автоматически увеличиваться, а не уменьшаться, если сверло в процессе работы натолкнется на более твердый металл. А в недалеком будущем чипы станут применяться для управления и более мощными электродвигателями.

Высоковольтные чипы вскоре заменят все виды электромеханических реле и переключателей, особенно в бытовых приборах. В стиральных машинах ненужными станут редукторы для изменения скорости вращения электромотора в различных режимах работы. Уже есть кондиционеры воздуха с высоковольтными чипами Электродвигатель, оборудованный «силачом», не выключаясь, только замедляет или увеличивает скорость вращения, поддерживая тем самым постоянную температуру. Такой режим наиболее эффективен. У прежних кондиционеров электродвигатель при достижении определенной температуры отключался.

Применение чипов в люминесцентных светильниках поможет избавиться от неприятного мерцания лампы, назойливого жужжания дросселя, а также позволит регулировать яркость свечения люминесцентных ламп.

Широкое распространение получат «силачи» в автомобильной промышленности. В современном автомобиле много потребителей электроэнергии, а в будущем их число еще более возрастет. От каждого потребителя к источнику питания тянутся провода. Специалисты подсчитали, что в среднем в каждом автомобиле вес проводов составляет 32 килограмма. Применение высоковольтных чипов даст возможность использовать совсем иную, более экономичную схему электропроводки. Только один-два провода протянут через весь автомобиль по замкнутому контуру. Все электрическое оборудование подключат к ним подобно лампочкам, украшающим новогоднюю елку. В месте подсоединения каждого потребителя будет вмонтирован «силач», который, например, не только включит задний фонарь, но и подаст сигнал на переднюю панель в случае, если лампочка неисправна.

Правда, и сейчас многие автомобили оснащены индикаторами неполадок, но они работают на датчиках и другой дорогостоящей электронике, а с применением дешевых чипов такой контроль получит более широкое распространение. По подсчетам специалистов, применение высоковольтных чипов в авиалайнере «Боинг-747» поможет снизить вес электропроводки более чем на четыре тонны.

Нажимая на клаксон, можно будет подавать чипу разные команды. Легкое нажатие – предупреждающий слабый сигнал, сильное нажатие – громкий гудок.

«Силачи» уже работают в плоских дисплеях некоторых компьютеров. Такие экраны построены на принципе газового разряда. Изображение получается более совершенным, чем на обычных жидкокристаллических дисплеях.

Технология производства высоковольтных чипов совершенствуется, цены на них на международном рынке падают. Если в 1984 году стоимость «силача» составляла 45 долларов, то в 1987 году уже 6,5 доллара, и эта тенденция будет продолжаться.

ЭВМ НА ОСТРИЕ ИГЛЫ

Чтобы получить представление о достигнутом уровне микроминиатюризации электронных схем, нью-йоркский журнал «Бизнес уик» в своем выпуске, вышедшем где-то в середине 1985 года, советовал сделать следующее:

«Вырвите у себя волос. Его толщина равняется приблизительно ста микронам. Представьте себе теперь, что вы умещаете в сетку из 400 транзисторов, каждый из которых состоит из линий, толщиной в один микрон, на кристалле кремния размером с сечение вашего волоса. Теперь сожмите эти линии до толщины в полмикрометра и вы сможете примерно на той же площади разместить почти 1500 транзисторов-полупроводников. Еще раз разделите все пополам. При толщине четверть микрометра каждый транзистор по размеру будет приблизительно равен крупному вирусу, и вам хватит места для 4500 транзисторов».

Данный пример лишь приблизительная оценка, которая дает представление и об уже имеющемся и о том, что уже почти на выходе. Но и это не предел. В 1987 году в печати сообщалось, что сумели сделать транзистор, где толщина линии 0,1 микрона (или в новых терминах – микрометра), то есть одна десятая от миллионной доли метра. А линиями как раз и «рисуют» с помощью литографических приемов на пластинке кремния, арсенида галлия или другого материала транзисторы, соединительные провода и все прочие детали электрической схемы. Чем тоньше линия, тем меньше элементы схемы, тем плотнее ее электронная начинка. Поэтому не только количество транзисторов в кристалле характеризует микросхему, но и толщина линии.

Весьма показателен следующий пример, демонстрирующий фантастические успехи микроминиатюризации. Все мы имеем более или менее ясное представление о Магнитных головках. С их помощью в магнитофонах происходит запись на магнитную ленту и воспроизведение с нее. В вычислительных машинах магнитная лента, а чаще магнитные диски, используются в качестве памяти. Так вот, создана головка для записи информации на магнитный диск размером… с точку в конце этого предложения. Причем она более чувствительна к электромагнитным полям, чем головка с проволочной катушкой, что позволяет записывать на магнитный диск информацию с большой плотностью.

Есть такая английская притча – вариант лесковского Левши. Будто один мастер-виртуоз послал другому булавку. На ее головке он выгравировал слова: «Как тебе это нравится?» Последовал ответ: «Ничего особенного». Написано это было на той же булавке, но… внутри одной из букв. Что-то подобное происходит в микроэлектронике.

Начиная с 60-х годов, число элементов в наиболее сложных интегральных схемах каждый год примерно удваивалось, а ширина линии соответственно уменьшалась. В 1960 году ширина типичной линии в обычных схемах составляла 30 микрометров. К 1970 году степень интеграции увеличилась настолько, что кристалл площадью 1,5 квадратных сантиметра стал вмещать больше электронных элементов, чем самое сложное электронное устройство, которое могло быть создано в 1950 году. В настоящее время в основном в ходу микросхемы с микрометровой линией, хотя получены кристаллы, у которых линия в два раза тоньше.

Современные чипы для запоминающих устройств содержат более двух миллионов элементов. С другими кристаллами каждый из них соединяют пять миллионов проводников, и такие чипы не единичны, они выпускаются в большом количестве. Менее трех десятилетий назад, до возникновения микроэлектроники, радиомонтажнику пришлось бы потратить 10 лет на установку двух миллионов дискретных элементов такой схемы. Только зарплата рабочего за это время составила бы сотни тысяч долларов. Теперь же такое изделие стоит на рынке лишь десятки долларов, а в перспективе его цена упадет до нескольких долларов.

Мало найдется мест более чистых, чем завод полупроводников. Ведь одна пылинка может безнадежно испортить микросхему. Создать условия такой стерильности, с которой не сравнится ни одна больничная операционная, очень непросто. Судите сами.

В одном кубическом метре обычного городского воздуха содержится около 50 миллионов пылинок. В зеленых зонах их содержание падает до 2 миллионов в одном кубометре, а при изготовлении наиболее сложных БИС запыленность воздуха в основных помещениях не должна превышать 3000 пылинок на кубометр, причем на рабочем месте, возле обрабатываемой пластины, запыленность должна быть не более 30 пылинок. Конечно, брак все равно будет, но с ним приходится мириться, как с неизбежным злом.

О том, зачем нужна такая чистота, дает представление следующий пример. Если в помещении запыленность достигнет 50 тысяч пылинок на кубометр, то на поверхности в один квадратный сантиметр за один час осядет около 40 пылинок размером в несколько микрометров и гораздо больше более мелких частиц. Неумолимая статистика свидетельствует: при такой запыленности на каждый квадратик поверхности со стороной 1,4 миллиметра придется не менее одной пылинки размером 1—3 микрометра и пять-десять пылинок размером 0,3—0,5 микрометра. Такие условия гарантируют стопроцентный брак.

Приведу еще несколько цифр, чтобы окончательно убедить читателя, что мы живем в пыли и сколь труд, но от нее избавиться. Даже в состоянии покоя человек каждую минуту создает до 100 тысяч пылинок, а если еще начнет энергично двигаться, число «генерируемых» им пылинок возрастает в 10 и более раз. Если в помещении площадью сто квадратных метров в отсутствие людей в одном кубометре насчитывается 10 000 пылинок, то при наличии здесь же 12 человек запыленность возрастает до 3,5 миллиона пылинок в одном кубометре.

А вот еще одна статистика, свидетельствующая о том, что курильщик – потенциальный источник брака в полупроводниковом производстве. Оказывается, любой курящий выдыхает в течение примерно часа после курения частицы, загрязняющие среду.

В экспериментах, проведенных одним американским исследователем, воздух, выдыхаемый курящим и некурящим, направлялся в устройство, подсчитывающее количество содержащихся в нем частиц. Устройство устанавливалось на расстоянии 25 миллиметров от рта испытуемых. В первую минуту после выкуренной сигареты курильщик выдыхал (в пересчете на один кубометр) более 800 тысяч частиц, в то время как некурящий – 27 тысяч частиц. Через 10 минут количество частиц в воздухе, выдыхаемом курильщиком, снижалось до 160 тысяч. Большинство частиц оказалось клетками эпителия, покрывающими полость рта. Размер частиц – в пределах от 0,2 до 12 микрометров.

В другом эксперименте в промежутках между замерами пили кофе. По-видимому, курильщики вместе с напитком проглатывали большую часть клеток эпителия. Число выдыхаемых ими частиц сократилось, но и спустя 63 минуты все же была видна существенная разница в замерах для заядлого курильщика и некурящего. Даже когда некурящий съел 12 крекеров, количество выдыхаемых им частиц не увеличилось.

Правда, экспериментатор нашел довольно простое решение, как частично нейтрализовать курильщика: дать ему выпить стакан воды, прежде чем он вернется в цех.

Эти данные еще раз подтверждают, что находиться рядом с курящим далеко не безвредно. Курильщика можно уподобить микровулкану никотиновой пыли.

Что только не делают, чтобы избавиться от пыли. Изолируют помещение от внешней среды, рабочие облачаются в белоснежные халаты, маски и перчатки, причем из «непылящих» материалов (на поверку вышло, что самая гигиеничная одежда, из хлопчатобумажных тканей, сильно пылит). В течение часа воздух в рабочем помещении сменяется несколько сот раз.

Однако для изготовления схем с толщиной линии в доли микрометра даже такие цехи покажутся безнадежно грязными. Для их производства в одном кубометре допускается не более 10 частиц размером 0,2 микрометра. Такой степени обеспыленности можно достичь только в герметичных камерах с особым микроклиматом в атмосфере инертного газа. Присутствие человека в производственной зоне, конечно, исключается.

Пожалуй, одна из самых больших трудностей состоит в том, как отпечатать запутанные тончайшие схемы из миллионов элементов на полупроводниковую пластинку. Причем процесс печати повторяется не единожды, и каждый раз надо точно совмещать новую «картинку» с предыдущей. Самое крошечное несовпадение, и – брак. Схема работать не будет.

При толщине линии 1—2 микрометра схема отпечатывается на кристалле с помощью ультрафиолетовых лучей. При более тонких, субмикронных линиях копирование исходного оригинала под силу лишь рентгеновским лучам и сфокусированным пучкам электронов.

Чтобы создать чип, надо его спроектировать, изготовить и испытать. Эти задачи уже вышли за рамки человеческих возможностей. Разместить несколько миллионов деталей на крохотной полупроводниковой пластине – с такой задачей может справиться только компьютер. А под силу ли человеку проверить десятки, сотни тысяч схем в чипе? Тоже без компьютера не обойтись. В общем, наступает пора, предсказанная фантастами: чипы начнут производить себе подобных. Возникает естественный вопрос; где же предел малости? Где предел интеграции схем? А бели конкретнее – сколько все-таки можно будет разместить транзистор0в на одном кристалле?

Грубую оценку можно дать, разделив наибольший практический размер кристалла на наименьший практический размер транзистора.

Чтобы транзистор устойчиво работал, число подвижных электрических зарядов в его кристалле должно быть не менее определенной величины. При меньшем числе зарядов он просто не сможет нормально выполнять свои функции по обработке информации на тех физических принципах, которые приняты в современной вычислительной технике.

Подвижными зарядами в транзисторе являются атомы примеси. Обычно один атом примеси дает один подвижный заряд. Чтобы число этих зарядов, например в кремниевом транзисторе, было достаточным, его линейный размер должен быть не менее 400 постоянных кристаллической решетки. (Постоянная кристаллической решетки – это линейный размер элементарной ячейки кристалла.) На практике приходится учитывать целый ряд других факторов, поэтому размер транзистора увеличивается еще в три раза. У кремния постоянная решетка равна 5,4∙10 ^—8сантиметра. Если умножим ее значение на 400, а затем еще на три, получим, что минимальный линейный размер транзистора равен примерно одному микрометру, а его площадь соответственно одному квадратному микрометру, или 10 ^—8квадратных сантиметра.

Предельный размер кристалла самого чипа определяется экономическими соображениями. Кристаллы нарезаются из одной пластины большого размера. В свою очередь, эта пластина, одна из многих десятков тонких пластин, на которые разрезан цилиндр монокристаллического кремния. Современная технология позволяет выращивать кристаллы кремния диаметром до 15 сантиметров, а в ближайшем будущем, возможно, удастся получать кристаллы диаметром до 20 сантиметров.

В большой пластине кремния неизбежно где-то есть микроскопические дефекты, и внутри и на поверхности. Чем на более крупные квадратики разрезается круглая пластина, тем больше вероятность того, что в исходную пластину для чипа попадет микродефект. В настоящее время считается, что нарезать кристаллы площадью более одного квадратного сантиметра неэкономно. Но специалисты надеются, что со временем предельная площадь кристалла увеличится до 10 квадратных сантиметров.

Сколько же транзисторов можно расположить на пластине такого размера? К сожалению, большая ее часть (90 процентов) пойдет на соединения элементов схемы и изоляцию их друг от друга. И только около одного квадратного сантиметра может быть заполнено транзисторами. Если каждый транзистор будет занимать площадь примерно 10 ^—8квадратного сантиметра, то на одном кристалле уместится 100 миллионов транзисторов. Если учесть, что современные чипы уже содержат два миллиона транзисторов, то их сложность может быть увеличена в 50 раз, прежде чем кремниевая технология исчерпает себя.

При нынешних темпах научно-технического прогресса этот рубеж будет достигнут за десятилетие. Тогда один такой суперчип сможет выполнять всю работу сегодняшних стационарных ЭВМ. По имеющимся оценкам, мировой объем изделий электронной промышленности в настоящее время превышает 200 миллиардов долларов, что приблизительно равно объему валового национального продукта такой страны, как Индия. Не так уж и мало, если учесть, что она по этому показателю возглавляет вторую десятку государств. К концу нынешнего столетия объем продажи составит примерно один триллион долларов. Так что в перспективах электронной промышленности сомневаться не приходится.

Инженеры сейчас всерьез размышляют над тем, что еще недавно проходило по ведомству научной фантастики. Например, как уместить музыкальный синтезатор, способный играть за целый оркестр, в одном кристалле. Полагают, что в недалеком будущем появится «кремниевый секретарь», который сумеет говорить и понимать речь, составлять телеграммы, назначать совещания и в вежливой форме напоминать о делах. А к концу века ожидаются и личные роботы.

Уже сейчас начинается революция в телевидении. Передача сигналов в цифровом коде – метод, который при использовании суперсхем станет дешевым, обеспечит качество изображения, значительно превосходящее нынешнее. Появятся телевизоры, способные хранить понравившиеся передачи в своих запоминающихся устройствах на суперчипах.

Правда, мешает использование чипа в качестве долговременной памяти пока одно «но», которое не всегда удается обойти.

При выключении питания записанная информация пропадает, поэтому на них постоянно надо подавать питание. Но крошки-чипы потребляют не так уж и много, так что в стационарных условиях с этим недостатком можно примириться.

Пожалуй, не найти радиотехнических систем, которых не коснется «чипизация». Радары не столь уж далекого будущего, например, будут состоять лишь из антенны, которая опять же будет исполнена в виде множества интегральных СВЧ-микросхем (антенны такого типа называются фазированными антенными решетками, или сокращенно ФАР) и миниатюрной ЭВМ на суперчипе.

А остановится ли электроника на суперчипах? Какие пути ее развития намечаются уже сейчас, в наше время?