Самая первая микросхема. Серии микросхем. снижение массогабаритных характеристик аппаратуры

Введение

С момента появления первых компьютеров разработчики программ мечтали об аппаратуре, предназначенной для решения именно их задачи. Поэтому уже довольно давно появилась идея создания специальных интегральных схем, которые можно затачивать под эффективное выполнение конкретной задачи. Здесь можно выделить два пути развития:

• Использование так называемых специализированных заказных интегральных микросхем (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Как следует из названия, такие микросхемы выполняются производителями аппаратного обеспечения под заказ для эффективного выполнения некоторой конкретной задачи или круга задач. Они не обладают универсальностью, как обычные микросхемы, однако во много раз быстрее, иногда на порядки, решают поставленные перед ними задачи.
• Создание микросхем с реконфигурируемой архитектурой. Идея состоит в том, что такие микросхемы поступают к разработчику или пользователю ПО в незапрограммированном состоянии, и тот может реализовать на них ту архитектуру, которая больше всего ему подходит. Рассмотрим более подробно их процесс становления.

Со временем появлялось большое количество разнообразных микросхем с реконфигурируемой архитектурой (Рис. 1).

В течение довольно длительного времени на рынке существовали только PLD (Programmable Logic Device) устройства. В этот класс выделяются устройства, которые реализуют функции, необходимые для решения поставленных задач, в виде совершенной дизъюнктивной нормальной формы (совершенной ДНФ). Первыми в 1970 году появились ППЗУ-микросхемы, которые относятся как раз к классу PLD-устройств. Каждая схема имела фиксированный массив логических функций И, подсоединенный к программируемому набору логических функций ИЛИ. Для примера рассмотрим ППЗУ с 3 входами (a,b и с) и 3 выходами (w,x и y) (Рис. 2).

C помощью предопределенного массива И реализуются все возможные конъюнкции над входными переменными, которые затем могут быть произвольным образом объединены с помощью ИЛИ элементов. Таким образом, на выходе можно реализовать любую функцию от трех переменных в виде совершенной ДНФ. Например, если запрограммировать те элементы ИЛИ, которые обведены в красный кружок на рисунке 2, то на выходах получатся функции w=a&b; x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Изначально микросхемы ППЗУ предназначались для хранения программных инструкций и значений констант, т.е. для выполнения функций компьютерной памяти. Однако разработчики используют их также для реализации простых логических функций. В действительности ППЗУ микросхемы можно использовать для реализации любого логического блока, при условии, что он имеет небольшое количество входов. Это условие вытекает из того факта, что в ППЗУ микросхемах жестко определена матрица элементов И - в ней реализуются все возможные конъюнкции от входов, то есть число элементов И равно 2*2 n , где n - число входов. Понятно, что при увеличении числа n размер массива растет очень быстро.

Следующими в 1975 году появились так называемые программируемые логические матрицы (ПЛМ). Они являются продолжением идеи ППЗУ микросхем - ПЛМ также состоят из И и ИЛИ массивов, однако в отличие от ППЗУ оба массива программируемы. Это обеспечивает большую гибкость таких микросхем, однако они никогда не были распространены по той причине, что для похождения через программируемые связи сигналам требуется намного больше времени, чем при прохождении через их предопределенные аналоги.

Для того чтобы решить проблему скорости, свойственную ПЛМ, в конце 1970-х появилось следующий класс устройств, называемый программируемый массив логики (PAL - Programmable Array Logic). Дальнейшим развитием идеи PAL-микросхем стало появление устройств GAL (Generic Array Logic) - более сложных разновидностей PAL с использованием КМОП-транзисторов. Здесь используется идея, ровно противоположная идее ППЗУ-микросхем - программируемый массив элементов И подключается к предопределенному массиву элементов ИЛИ (Рис. 3).

Это накладывает ограничение по функциональности, однако в таких устройствах требуются массивы значительно меньшего размера, нежели в ППЗУ микросхемах.

Логическим продолжением простых PLD стало появление так называемых сложных PLD, состоящих из нескольких блоков простых PLD (обычно в качестве простых PLD используются PAL-устройства), объединенных программируемой коммутационной матрицей. Помимо самих блоков PLD можно было также запрограммировать связи между ними с помощью данной коммутационной матрицы. Первые сложные PLD появились в конце 70-х - начале 80-х годов 20 века, однако основное развитие этого направления пришлось на 1984 год, когда компания Altera представила сложное PLD, основанное на сочетании КМОП- и СППЗУ-технологий.

Появление FPGA

В начале 80-х годов в среде цифровых специализированных микросхем образовался пробел между основными типами устройств. С одной стороны были PLD, которые можно программировать под каждую конкретную задачу и достаточно легко изготавливать, однако они не могут быть использованы для реализации сложных функций. С другой стороны есть ASIC, которые могут реализовывать чрезвычайно сложные функции, однако обладают жестко фиксированной архитектурой, при этом их долго и дорого изготавливать. Необходимо было промежуточное звено, и таким звеном стали FPGA (Field Programmable Gate Arrays)-устройства.

FPGA, как и PLD, являются программируемыми устройствами. Главным принципиальным отличием FPGA от PLD является то, что функции в FPGA реализуются не с помощью ДНФ, а помощью программируемых таблиц соответствия (LUT-таблиц). В этих таблицах значения функции задаются с помощью таблицы истинности, из которой необходимый результат выбирается с помощью мультиплексора (рис. 4):

Каждое FPGA-устройство состоит из программируемых логических блоков (Configurable Logic Blocks - CLB), которые связаны между собой соединениями, также программируемыми. Каждый такой блок предназначен для программирования некоторой функции или ее части, однако может быть использован для других целей, например, в качестве памяти.

В первых FPGA-устройствах, разработанных в середине 80-х годов, логический блок был устроен очень просто и содержал одну 3-входовую LUT-таблицу, один триггер и небольшое количество вспомогательных элементов. Современные FPGA-устройства устроены гораздо сложнее: каждый CLB-блок состоит из 1-4 "срезов" (slice), каждый из которых содержит несколько LUT-таблиц (обычно 6-входовых), несколько триггеров и большого числа служебных элементов. Вот пример современного "среза":

Заключение

Поскольку PLD-устройства не могут реализовывать сложные функции, они продолжают использоваться для реализации простых функций в портативных устройствах и коммуникациях, в то время как FPGA-устройства, начиная от размера в 1000 вентилей (первая FPGA, разработанная в 1985 году), на данный момент превысили отметку в 10 миллионов вентилей (семейство Virtex-6). Они активно развиваются и уже вытесняют ASIC-микросхемы, позволяя реализовывать самые различные чрезвычайно сложные функции, при этом не теряя возможности перепрограммирования.

История изобретения интегральной схемы

Первая логическая схема на кристаллах кремния была изобретена 52 года назад и содержала только один транзистор. Один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс в 1959 году изобрел устройство, которое затем стало называться интегральной схемой, микросхемой или микрочипом. А почти на полгода раньше похожее устройство придумал инженер из компании Texas Instruments Джэк Килби. Можно сказать, что эти люди стали изобретателями микросхемы.

Интегральной микросхемой называется система из конструктивно связанных элементов, соединенных между собой электрическими проводниками. Также под интегральной схемой понимают кристалл с электронной схемой. Если интегральная схема заключена в корпус, то это уже микросхема.

Первая действующая интегральная микросхема была представлена Килби 12 сентября 1958. В ней использовалась разработанная им концепция, базирующаяся на принципе изоляции компонентов схемы p-n-переходами, изобретенном Куртом Леховеком.

Внешний вид новинки был немного страшноват, но Килби и не предполагал, что показанное им устройство положит начало всем информационным технологиям, иначе, по его словам, он сделал бы этот прототип покрасивее.

Но в тот момент важна была не красота, а практичность. Все элементы электронной схемы – резисторы, транзисторы, конденсаторы и остальные, - были размещены на отдельных платах. Так было до тех пор, пока не возникла мысль сделать всю схему на одном монолитном кристалле полупроводникового материала.

Самая первая интегральная микросхема Килби представляла собой маленькую германиевую полоску 11х1,5 мм с одним транзистором, несколькими резисторами и конденсатором. Несмотря на свою примитивность, эта схема выполнила свою задачу – вывела синусоиду на экран осциллографа.

Шестого февраля 1959 года Джэк Килби подал заявку на регистрацию патента на новое устройство, описанное им как объект из полупроводникового материала с полностью интегрированными компонентами электронной схемы. Его вклад в изобретение микросхемы был отмечен вручением ему в 2000 году Нобелевской премии в области физики.

Идея Роберта Нойса смогла решить несколько практических проблем, не поддавшихся интеллекту Килби. Он предложил использовать для микросхем кремний, а не германий, предложенный Джэком Килби.

Патенты были получены изобретателями в одном и том же 1959 году. Начавшееся между TI и Fairchild Semiconductor соперничество завершилось мирным договором. На взаимовыгодных условиях они создали лицензию на изготовление чипов. Но в качестве материала для микросхем выбрали все же кремний.

Производство интегральных схем было запущено на Fairchild Semiconductor в 1961 году. Они сразу заняли свою нишу в электронной промышленности. Благодаря их применению в создании калькуляторов и компьютеров в качестве отдельных транзисторов, дало возможность сделать вычислительные устройства более компактными, повысив при этом их производительность, значительно упростив ремонт компьютеров .

Можно сказать, что с этого момента началась эпоха миниатюризации, продолжающаяся по сей день. При этом абсолютно точно соблюдается закон, который сформулировал коллега Нойса Гордон Мур. Он предсказал, что число транзисторов в интегральных схемах каждые 2 года будет удваиваться.

Покинув Fairchild Semiconductor в 1968 году, Мур и Нойс создали новую компанию – Intel. Но это уже совсем другая история...

Первые интегральные схемы

50-летию официальной даты посвящается

Б. Малашевич

12 сентября 1958 года сотрудник фирмы Texas Instruments (TI) Джек Килби продемонстрировал руководству три странных прибора - склеенные пчелиным воском на стеклянной подложке устройства из двух кусочков кремния размером 11,1?1,6 мм (рис.1). Это были объёмные макеты – прототипы интегральной схемы (ИС) генератора, доказывающие возможность изготовления всех элементов схемы на основе одного полупроводникового материала. Эта дата отмечается в истории электроники как день рождения интегральных схем. Но так ли это?

Рис. 1. Макет первой ИС Дж. Килби. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

К концу 1950-х годов технология сборки радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) из дискретных элементов исчерпала свои возможности. Мир пришёл к острейшему кризису РЭА, требовались радикальные меры. К этому моменту в США и СССР уже были промышленно освоены интегральные технологии производства, как полупроводниковых приборов, так и толстоплёночных и тонкопленочных керамических плат, т. е. созрели предпосылки для выхода из этого кризиса путем создания многоэлементных стандартных изделий – интегральных схем.

К интегральным схемам (микросхемам, ИС) относятся электронные устройства различной сложности, в которых все однотипные элементы изготавливаются одновременно в едином технологическом цикле, т.е. по интегральной технологии. В отличие от печатных плат (в которых в едином цикле по интегральной технологии одновременно изготавливаются все соединительные проводники) в ИС аналогично формируются и резисторы, и конденсаторы, и (в полупроводниковых ИС) диоды и транзисторы. Кроме того, одновременно изготавливается много ИС, от десятков, до тысяч.

ИС разрабатываются и выпускаются промышленностью в виде серий, объединяющий ряд микросхем различного функционального назначения, предназначенных для совместного применения в электронной аппаратуре. ИС серии имеют стандартное конструктивное исполнение и единую систему электрических и иных характеристик. ИС поставляются производителем разным потребителям как самостоятельная товарная продукция, удовлетворяющая определенной системе стандартизованных требований. ИС относятся к неремонтируемым изделиям, при ремонте РЭА вышедшие из строя ИС заменяются.

Различают две основные группы ИС: гибридные и полупроводниковые.

В гибридных ИС (ГИС) на поверхности подложки микросхемы (как правило, из керамики) по интегральной технологии формируются все проводники и пассивные элементы. Активные элементы в виде бескорпусных диодов, транзисторов и кристаллов полупроводниковых ИС, устанавливаются на подложку индивидуально, вручную или автоматами.

В полупроводниковых ИС соединительные, пассивные и активные элементы формируются в едином технологическом цикле на поверхности полупроводникового материала (обычно кремния) с частичным вторжением в его объём методами диффузии. Одновременно на одной пластине полупроводника, в зависимости от сложности устройства и размеров его кристалла и пластины, изготавливается от нескольких десятков до нескольких тысяч ИС. Промышленность полупроводниковые ИС выпускает в стандартных корпусах, в виде отдельных кристаллов или в виде неразделенных пластин.

Явление миру гибридных (ГИС) и полупроводниковых ИС происходило по-разному. ГИС является продуктом эволюционного развития микромодулей и технологии монтажа на керамических платах. Поэтому появились они незаметно, общепринятой даты рождения ГИС и общепризнанного автора не существует. Полупроводниковые ИС были естественным и неизбежным результатом развития полупроводниковой техники, но потребовавшим генерации новых идей и создания новой технологии, у которых есть и свои даты рождения, и свои авторы. Первые гибридные и полупроводниковые ИС появились в СССР и США почти одновременно и независимо друг от друга.

Первые гибридные ИС

К гибридным относятся ИС, в производстве которых сочетается интегральная технология изготовления пассивных элементов с индивидуальной (ручной или автоматизированной) технологией установки и монтажа активных элементов.

Еще в конце 1940-х годов в фирме Centralab в США были разработаны основные принципы изготовления толстоплёночных печатных плат на керамической основе, развитые затем другими фирмами. В основу были положены технологии изготовления печатных плат и керамических конденсаторов. От печатных плат взяли интегральную технологию формирования топологии соединительных проводников – шелкографию. От конденсаторов – материал подложки (керамика, чаще ситал), а также материалы паст и термическую технологию их закрепления на подложке.

А в начале 1950-х годов в фирме RCA изобрели тонкоплёночную технологию: распыляя в вакууме различные материалы и осаждая их через маску на специальные подложки, научились на единой керамической подложке одновременно изготавливать множество миниатюрных плёночных соединительных проводников, резисторов и конденсаторов.

По сравнению с толстоплёночной, тонкоплёночная технология обеспечивала возможность более точного изготовления элементов топологии меньших размеров, но требовала более сложного и дорогостоящего оборудования. Устройства, изготавливаемые на керамических платах по толстоплёночной или тонкоплёночной технологии, получили название “гибридные схемы”. Гибридные схемы выпускались как комплектующие изделия собственного производства, их конструкция, размеры, функциональное назначение у каждого изготовителя были свои, на свободный рынок они не попадали, а потому мало известны.

Вторглись гибридные схемы и в микромодули. Сначала в них применялись дискретные пассивные и активные миниатюрные элементы, объединённые традиционным печатным монтажом. Технология сборки была сложной, с огромной долей ручного труда. Поэтому микромодули были весьма дорогими, их применение было ограничено бортовой аппаратурой. Затем применили толстопленочные миниатюрные керамические платки. Далее по толстопленочной технологии начали изготавливать резисторы. Но диоды и транзисторы использовались ещё дискретные, индивидуально корпусированные.

Гибридной интегральной схемой микромодуль стал в тот момент, когда в нём применили бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировали конструкцию в общем корпусе. Это позволило значительно автоматизировать процесс их сборки, резко снизить цены и расширить сферу применения. По методу формирования пассивных элементов различают толстоплёночные и тонкоплёночные ГИС.

Первые ГИС в СССР

Первые ГИС (модули типа “Квант” позже получившие обозначение ИС серии 116) в СССР были разработаны в 1963 г. в НИИРЭ (позже НПО “Ленинец”, Ленинград) и в том же году его опытный завод начал их серийное производство. В этих ГИС в качестве активных элементов использовались полупроводниковые ИС “Р12- 2” , разработанные в 1962 г. Рижским заводом полупроводниковых приборов. В связи с неразрывностью историй создания этих ИС и их характеристик, мы рассмотрим их вместе в разделе, посвященном Р12-2.

Бесспорно, модули “Квант” были первыми в мире ГИС с двухуровневой интеграцией – в качестве активных элементов в них использовались не дискретные бескорпусные транзисторы, а полупроводниковые ИС. Вполне вероятно, что они вообще были и первыми в мире ГИС – конструктивно и функционально законченными многоэлементными изделиями, поставляемыми потребителю как самостоятельная товарная продукция. Самым ранним из выявленных автором зарубежных подобных изделий являются ниже описанные SLT -модули корпорации IBM , но они были анонсированы в следующем, 1964 г.

Первые ГИС в США

Появление толстоплёночных ГИС, как основной элементной базы новой ЭВМ IBM System /360, впервые было анонсировано корпорации IBM в 1964 г. Похоже, что это было первое применение ГИС за пределами СССР, более ранних примеров автору обнаружить не удалось.

Уже известные в то время в кругах специалистов полупроводниковые ИС серий “Micrologic” фирмы Fairchild и " SN -51" фирмы TI (о них мы скажем ниже) были ещё недоступно редки и непозволительно дороги для коммерческого применения, каким было построение большой ЭВМ. Поэтому корпорация IBM , взяв за основу конструкцию плоского микромодуля, разработала свою серию толстоплёночных ГИС, анонсированную под общим названием (в отличие от “микромодулей”) – “ SLT -модули” (Solid Logic Technology – технология цельной логики. Обычно слово “s olid ” переводят на русский язык как “твёрдый”, что абсолютно нелогично. Действительно, термин “ SLT -модули” был введен IBM как противопоставление термину “микромодуль” и должен отражать их отличие. Но оба модуля “твёрдые”, т. е. этот перевод не годится. У слова “ solid ” есть и другие значения – “сплошной”, “целый”, которые удачно подчеркивают различие “ SLT -модулей” и “микромодулей” – SLT -модули неделимы, неремонтопригодны, т. е. “целые”. Поэтому мы и использовали не общепринятый перевод на русский язык: Solid Logic Technology – технология цельной логики).

SLT -модуль представлял собой квадратную керамическую толстоплёночную микроплатку полудюймового размера с впрессованными вертикальными штыревыми выводами. На её поверхность методом шелкографии наносились (согласно схеме реализуемого устройства) соединительные проводники и резисторы, и устанавливались бескорпусные транзисторы. Конденсаторы, при необходимости, устанавливались рядом с SLT -модулем на плате устройства. При внешней почти идентичности (микромодули несколько повыше, рис. 2.) SLT -модули от плоских микромодулей отличались более высокой плотностью компоновки элементов, низким энергопотреблением, высоким быстродействием и высокой надёжностью. Кроме того, SLT -технология достаточно легко автоматизировалась, следовательно их можно было выпускать в огромных количествах при достаточно низкой для применения в коммерческой аппаратуре стоимости. Именно это IBM и было нужно. Фирма построила для производства SLT -модулей автоматизированный завод в East Fishkill близ Нью-Йорка, который выпускал их миллионными тиражами.

Рис. 2. Микромодуль СССР и SLT-модуль ф. IBM. Фото STL с сайта http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

Вслед за IBM ГИС начали выпускать и другие фирмы, для которых ГИС стала товарной продукцией. Типовая конструкция плоских микромодулей и SLT -модулей корпорации IBM стала одним из стандартов для гибридных ИС.

Первые полупроводниковые ИС

К концу 1950-х годов промышленность имела все возможности для производства дешёвых элементов электронной аппаратуры. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из германия и кремния, то резисторы и конденсаторы делали из других материалов. Многие тогда полагали, что при создании гибридных схем не будет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы типового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость аппаратуры будет значительно снижена. На основании таких рассуждений сторонники гибридной технологии рассматривали её как генеральное направление развития микроэлектроники.

Но не все разделяли это мнение. Дело в том, что уже созданные к тому периоду меза-транзисторы и, особенно, планарные транзисторы, были приспособлены для групповой обработки, при которой ряд операций по изготовлению многих транзисторов на одной пластине-подложке осуществлялись одновременно. Т. е. на одной полупроводниковой пластине изготавливалось сразу множество транзисторов. Затем пластина разрезалась на отдельные транзисторы, которые размещались в индивидуальные корпуса. А затем изготовитель аппаратуры объединял транзисторы на одной печатной плате. Нашлись люди, которым такой подход показался нелепым – зачем разъединять транзисторы, а потом снова объединять их. Нельзя ли их объединить сразу на полупроводниковой пластине? При этом избавиться от нескольких сложных и дорогостоящих операций! Эти люди и придумали полупроводниковые ИС.

Идея предельно проста и совершенно очевидна. Но, как часто бывает, только после того, как кто-то первым её огласил и доказал. Именно доказал, просто огласить часто, как и в данном случае, бывает недостаточно. Идея ИС была оглашена еще в 1952 г., до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. На ежегодной конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудник Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Даммер представил доклад о надёжности элементов радиолокационной аппаратуры. В докладе он сделал пророческое утверждение: “ С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определенные участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции” . Но этот прогноз остался специалистами незамеченным. Вспомнили о нём только после появления первых полупроводниковых ИС, т. е. после практического доказательства давно оглашенной идеи. Кто-то должен был первым вновь сформулировать и реализовать идею полупроводниковой ИС.

Как и в случае с транзистором, у общепризнанных создателей полупроводниковых ИС были более или менее удачливые предшественники. Попытку реализовать свою идею в 1956 г. предпринял сам Даммер, но потерпел неудачу. В 1953 г. Харвик Джонсон из фирмы RCA получил патент на однокристальный генератор, а в 1958 г. совместно с Торкелом Валлмарком анонсировал концепцию “полупроводникового интегрального устройства”. В 1956 году сотрудник фирмы Bell Labs Росс изготовил схему двоичного счётчика на основе n-p-n-p структур в едином монокристалле. В 1957 г. Ясуро Тару из японской фирмы MITI получил патент на соединение различных транзисторов в одном кристалле. Но все эти и другие им подобные разработки имели частный характер, не были доведены до производства и не стали основой для развития интегральной электроники. Развитию ИС в промышленном производстве способствовали только три проекта.

Удачливыми оказались уже упомянутый Джек Килби из Texas Instruments (TI), Роберт Нойс из Fairchild (оба из США) и Юрий Валентинович Осокин из КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (СССР). Американцы создали экспериментальные образцы интегральных схем: Дж. Килби – макет ИС генератора (1958 г.), а затем триггер на меза-транзисторах (1961 г.), Р. Нойс – триггер по планарной технологии (1961 г.), а Ю. Осокин – сразу пошедшую в серийное производство логическую ИС “2НЕ-ИЛИ” на германии (1962 г.). Серийное производство ИС эти фирмы начали почти одновременно, в 1962 г.

Первые полупроводниковые ИС в США

ИС Джека Килби. Серия ИС “ SN - 51”

В 1958 году Дж. Килби (пионер применения транзисторов в слуховых аппаратах) перешёл в фирму Texas Instruments. Новичка Килби, как схемотехника, “бросили” на усовершенствование микромодульной начинки ракет путём создания альтернативы микромодулям. Рассматривался вариант сборки блоков из деталей стандартной формы, подобный сборке игрушечных моделей из фигурок LEGO. О днако Килби увлекло иное. Решающую роль сыграл эффект “свежего взгляда”: во-первых, он сразу констатировал, что микромодули – тупик, а во-вторых, налюбовавшись меза-структурами, пришёл к мысли, что схему нужно (и можно) реализовать из одного материала – полупроводника. Килби знал об идее Даммера и его неудачной попытке её реализации в 1956 г. Проанализировав, он понял причину неудачи и нашел способ её преодоления. “ Моя заслуга в том, что взяв эту идею, я превратил её в реальность ” , сказал Дж. Килби позже в своей нобелевской речи.

Не заработав ещё права на отпуск, он без помех трудился в лаборатории, пока все отдыхали. 24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название “Идея монолита” (Monolithic Idea). Её суть заключалась в том, что “. ..элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы, распределенные конденсаторы и транзисторы, могут быть интегрированы в одну микросхему - при условии, что они будут выполнены из одного материала... В конструкции триггерной схемы все элементы должны изготавливаться из кремния, причём резисторы будут использовать объёмное сопротивление кремния, а конденсаторы - ёмкости p-n-переходов ” . “ Идея монолита” встретила снисходительно-ироничное отношение со стороны руководства Texas Instruments, потребовавшего доказательств возможности изготовления транзисторов, резисторов и конденсаторов из полупроводника и работоспособности собранной из таких элементов схемы.

В сентябре 1958 г. Килби реализовал свою идею – сделал генератор из склеенных пчелиным воском на стеклянной подложке двух кусочков германия размером 11,1 х 1,6 мм, содержащих диффузионные области двух типов (рис. 1). Эти области и имевшиеся контакты он использовал для создания схемы генератора, соединяя элементы тонкими золотыми проволочками диаметром 100 мкм путём термокомпрессионной сварки. Из одной области создавался мезатранзистор, из другой – RC-цепочка. Собранные три генератора были продемонстрированы руководству компании. При подключении питания они заработали на частоте 1,3 МГц. Это случилось 12 сентября 1958 года. Через неделю аналогичным образом Килби изготовил усилитель. Но это ещё не были интегральные структуры, это были объёмные макеты полупроводниковых ИС, доказывающие идею изготовления всех элементов схемы из одного материала – полупроводника.

Рис. 3. Триггер Type 502 Дж. Килби. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Первой действительно интегральной схемой Килби, выполненной в одном кусочке монолитного германия, оказалась экспериментальная ИС триггера “ Type 502” (рис. 3). В ней были использованы и объёмное сопротивление германия, и ёмкость p-n-перехода. Её презентация состоялась в марте 1959 года. Небольшое количество таких ИС было изготовлено в лабораторных условиях и продавалось в узком кругу по цене 450$. ИС содержала шесть элементов: четыре меза-транзистора и два резистора, размещённых на кремниевой пластине диаметром 1 см. Но ИС Килби имела серьёзный недостаток – меза-транзисторы, которые в виде микроскопических “активных” столбиков возвышались над остальной, “пассивной” частью кристалла. Соединение меза-столбиков друг с другом в ИС Килби осуществлялось развариванием тонких золотых проволочек – ненавистная всем “волосатая технология”. Стало ясно, что при таких межсоединениях микросхему с большим количеством элементов не сделать – проволочная паутина разорвется или перезамкнется. Да и германий в то время уже рассматривался как материал не перспективный. Прорыв не состоялся.

К этому времени в фирме Fairchild была разработана планарная кремниевая технология. Учитывая все это, Texas Instruments пришлось отложить всё сделанное Килби в сторонку и приступить, уже без Килби, к разработке серии ИС на основе планарной кремниевой технологии. В октябре 1961 г. фирма анонсировала создание серии ИС типа SN -51, а с 1962 г. начала их серийное производство и поставки в интересах Минобороны США и НАСА.

ИС Роберта Нойса. Серия ИС “ Micrologic ”

В 1957 г. по ряду причин от У. Шокли, изобретателя плоскостного транзистора, ушла группа в восемь молодых инженеров, которые хотели попробовать реализовать собственные идеи. “Восьмерка предателей”, как их называл Шокли, лидерами которых были Р. Нойс и Г. Мур, основала фирму Fairchild Semiconductor (“прекрасное дитя”) . Возглавил фирму Роберт Нойс, было ему тогда 23 года.

В конце 1958 года физик Д. Хорни, работавший в компании Fairchild Semiconductor, разработал планарную технологию изготовления транзисторов. А физик чешского происхождения Курт Леховек, работавший в Sprague Electric, разработал технику использования обратно включенного n - p перехода для электрической изоляции компонентов. В 1959 году Роберт Нойс, прослышав про макет ИС Килби, решил попробовать создать интегральную схему, комбинируя процессы, предложенные Хорни и Леховеком. А вместо “волосатой технологии” межсоединений Нойс предложил избирательное напыление тонкого слоя металла поверх изолированных двуокисью кремния полупроводниковых структур с подключением к контактам элементов через отверстия, оставленные в изолирующем слое. Это позволило “погрузить” активные элементы в тело полупроводника, изолировав их окислом кремния, а затем соединить эти элементы напылёнными дорожками алюминия или золота, которые создаются при помощи процессов фотолитографии, металлизации и травления на последней стадии изготовления изделия. Таким образом, был получен действительно “монолитный” вариант объединения компонентов в единую схему, а новая технология получила название “планарной”. Но сначала нужно было идею проверить.

Рис. 4. Экспериментальный триггер Р. Нойса. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Рис. 5. Фотография ИС Micrologic в журнале Life. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

В августе 1959 г. Р. Нойс поручил Джою Ласту проработать вариант ИС на планарной технологии. Сначала, как и Килби, изготовили макет триггера на нескольких кристаллах кремния, на которых было сделано 4 транзистора и 5 резисторов. Затем 26 мая 1960 г. изготовили первый однокристальный триггер. Для изоляции элементов в нём с обратной стороны кремниевой пластины протравливали глубокие канавки, заполняемые эпоксидной смолой. 27 сентября 1960 г. изготовили третий вариант триггера (рис. 4), в котором элементы изолировались обратно включенным p - n переходом.

Фирма Fairchild Semiconductor до этого времени занималась только транзисторами, схемотехников для создания полупроводниковых ИС у неё не было. Поэтому в качестве разработчика схем был приглашен Роберт Норман из фирмы Sperry Gyroscope . Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, которую фирма с его подачи и выбрала в качестве основы своей будущей серии ИС “Micrologic”, нашедшей своё первое применение в аппаратуре ракеты “Минитмен”. В марте 1961 г. Fairchild анонсировала первую опытную ИС этой серии (F -триггер, содержащий шесть элементов: четыре биполярных транзистора и два резистора, размещённых на пластине диаметром 1 см.) с опубликованием её фотографии (рис. 5) в журнале Life (от 10 марта 1961 г.). Ещё 5 ИС были анонсированы в октябре. А с начала 1962 г. Fairchild развернула серийное производство ИС и поставки их также в интересах Минобороны США и НАСА.

Килби и Нойсу пришлось выслуш ать немало критических замечаний по поводу своих новаций. Считалось, что практический выход годных интегральных схем будет очень низким. Понятно, что он должен быть ниже, чем у транзисторов (поскольку содержит несколько транзисторов), у которых он тогда был не выше 15%. Во-вторых, многие полагали, что в интегральных схемах используются неподходящие материалы, поскольку резисторы и конденсаторы делались тогда отнюдь не из полупроводников. В третьих, многие не могли воспринять мысль неремонтопригодности ИС. Им казалось кощунственным выбрасывать изделие, в котором вышел из строя только один из многих элементов. Все сомнения постепенно были отброшены, когда интегральные схемы были успешно использованы в военных и космических программах США.

Один из основателей фирмы Fairchild Semiconductor Г. Мур сформулировал основной закон развития кремниевой микроэлектроники, согласно которому число транзисторов в кристалле интегральной схемы удваивалось каждый год. Этот закон, названный “закон Мура”, довольно чётко действовал в течение первых 15 лет (начиная с 1959 г.), а затем такое удвоение происходило приблизительно за полтора года.

Далее индустрия ИС в США начала развиваться стремительными темпами. В США начался лавинообразный процесс возникновения предприятий, ориентированных исключительно “под планар”, иногда доходило до того, что регистрировались по десятку фирм в неделю. Стремясь к ветеранам (фирмам У. Шокли и Р. Нойса), а также благодаря налоговым льготам и сервису, представляемому Стенфордским университетом, “новички” кучковались главным образом в долине Санта-Клара (Калифорния). Поэтому неудивительно, что в 1971 г. в обиход с легкой руки журналиста-популяризатора технических новинок Дона Хофлера в обращение вошел романтически-техногенный образ “Кремниевой долины” (Silicon Valley), навсегда ставший синонимом Мекки полупроводниковой технологической революции. Кстати, в той местности действительно имеется славившаяся ранее многочисленными абрикосовыми, вишневыми и сливовыми садами долина, имевшая до появления в ней фирмы Шокли другое, более приятное название – Долина сердечного удовольствия (the Valley of Heart"s Delight), ныне, к сожалению, почти забытое.

В 1962 год в США началось серийное производство интегральных схем, хотя их объём поставок заказчикам и составил всего лишь несколько тысяч. Сильнейшим стимулом для развития приборостроительной и электронной промышленности на новой основе явилась ракетно-космическая техника. США не имели тогда таких же мощных межконтинентальных баллистических ракет, как советские, и для увеличения заряда были вынуждены пойти на максимальное сокращение массы носителя, в том числе систем управления, за счёт внедрения последних достижений электронной технологии. Фирмы Texas Instrument и Fairchild Semiconductor заключили крупные контракты на разработку и изготовление интегральных схем с министерством обороны США и с НАСА.

Первые полупроводниковые ИС в СССР

К концу 1950-х годов советская промышленность нуждалась в полупроводниковых диодах и транзисторах настолько, что потребовались радикальные меры. В 1959 году были основаны заводы полупроводниковых приборов в Александрове, Брянске, Воронеже, Риге и др. В январе 1961 года ЦК КПСС и СМ СССР приняли очередное Постановление “О развитии полупроводниковой промышленности”, в котором предусматривалось строительство заводов и НИИ в Киеве, Минске, Ереване, Нальчике и других городах.

Нас будет интересовать один их новых заводов – выше упомянутый Рижский завод полупроводниковых приборов (РЗПП, он несколько раз менял свои названия, для простоты мы используем наиболее известное, действующее и ныне). В качестве стартовой площадки новому заводу выделили строящееся здание кооперативного техникума площадью 5300 м 2 , одновременно началось строительство специального здания. К февралю 1960 года на заводе было уже создано 32 службы, 11 лабораторий и опытное производство, приступившее в апреле к подготовке производства первых приборов. На заводе уже работало 350 человек, 260 из которых в течение года направлялись на учёбу в московский НИИ-35 (позже НИИ “Пульсар”) и на ленинградский завод “Светлана”. А к концу 1960 года численность работающих достигла 1900 человек. Первоначально технологические линии размещались в перестроенном спортивном зале корпуса кооперативного техникума, а лаборатории ОКБ – в бывших учебных аудиториях. Первые приборы (сплавно-диффузионные и конверсионные германиевые транзисторы П-401, П-403, П-601 и П-602 разработки НИИ-35) завод выпустил через 9 месяцев после подписания приказа о его создания, в марте 1960 года. А к концу июля изготовил первую тысячу транзисторов П-401. Затем освоил в производстве многие другие транзисторы и диоды. В июне 1961 года завершилось строительство специального корпуса, в котором началось массовое производство полупроводниковых приборов.

С 1961 года завод приступил к самостоятельным технологическим и опытно-конструкторским работам, в том числе – по механизации и автоматизации производства транзисторов на основе фотолитографии. Для этого был разработан первый отечественный фотоповторитель (фотоштамп) – установка совмещения и контактной фотопечати (разработчик А.С. Готман). Большую помощь в финансировании и изготовлении уникального оборудования оказывали предприятия Минрадиопрома, в том числе КБ-1 (позже НПО “Алмаз”, Москва) и НИИРЭ. Тогда наиболее активные разработчики малогабаритной радиоаппаратуры, не имея своей технологической полупроводниковой базы, искали пути творческого взаимодействия с недавно созданными полупроводниковыми заводами.

На РЗПП проводились активные работы по автоматизации производства германиевых транзисторов типа П401 и П403 на основе создаваемой заводом технологической линии “Аусма”. Её главный конструктор (ГК) А.С. Готман предложил делать на поверхности германия токоведущие дорожки от электродов транзистора к периферии кристалла, чтобы проще разваривать выводы транзистора в корпусе. Но главное, эти дорожки можно было использовать в качестве внешних выводов транзистора при бескорпусной их сборке на платы (содержащие соединительные и пассивные элементы), припаивая их непосредственно к соответствующим контактным площадкам (фактически предлагалась технология создания гибридных ИС). Предлагаемый метод, при котором токоведущие дорожки кристалла как бы целуются с контактными площадками платы, получил оригинальное название – “поцелуйная технология”. Но из-за ряда оказавшихся тогда неразрешимыми технологических проблем, в основном связанных с проблемами точности получения контактов на печатной плате, практически реализовать “поцелуйную технологию” не удалось. Через несколько лет подобная идея была реализована в США и СССР и нашла широкое применение в так называемых “шариковых выводах” и в технологии “чип-на-плату”.

Тем не менее, аппаратурные предприятия, сотрудничающие с РЗПП, в том числе НИИРЭ, надеялись на “поцелуйную технологию” и планировали её применение. Весной 1962 года, когда стало понятно, что её реализация откладывается на неопределённый срок, главный инженер НИИРЭ В.И. Смирнов попросил директора РЗПП С.А. Бергмана найти другой путь реализации многоэлементной схемы типа 2НЕ-ИЛИ, универсальной для построения цифровых устройств.

Рис. 7. Эквивалентная схема ИС Р12-2 (1ЛБ021) . Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

Первая ИС и ГИС Юрия Осокина. Твердая схема Р12-2 (ИС серий 102 и 116 )

Директор РЗПП поручил эту задачу молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину . Организовали отдел в составе технологической лаборатории, лаборатории разработки и изготовления фотошаблонов, измерительной лаборатории и опытно-производственной линейки. В то время в РЗПП была поставлена технология изготовления германиевых диодов и транзисторов, ее и взяли за основу новой разработки. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой твёрдой схемы 2НЕ-ИЛИ (поскольку термина ИС тогда не существовало, из уважения к делам тех дней сохраним название “твёрдая схема” – ТС), получившей заводское обозначение “Р12- 2” . Сохранился рекламный буклет 1965 г. на Р12-2 (рис. 6), информацией и иллюстрациями из которого мы воспользуемся. ТС Р12-2 содержала два германиевых p - n - p -транзистора (модифицированные транзисторы типа П401 и П403) с общей нагрузкой в виде распределённого германиевого резистора р-типа (рис.7).

Рис. 8. Структура ИС Р12-2. Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

Рис. 9. Габаритный чертеж ТС Р12-2. Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

Внешние выводы формируются термокомпрессионной сваркой между германиевыми областями ТС структуры и золотом выводных проводников. Это обеспечивает устойчивую работу схем при внешних воздействиях в условиях тропиков и морского тумана, что особенно важно для работы в военно-морских квазиэлектронных АТС, выпускаемых рижским заводом ВЭФ, так же заинтересовавшимся этой разработкой.

Конструктивно ТС Р12-2 (и последующая за ней Р12-5) были выполнены в виде “таблетки” (рис.9) из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм. В неё размещался кристалл ТС и заливался полимерным компаундом, из которого выходили короткие внешние концы выводов из мягкой золотой проволоки диаметром 50 мкм, приваренные к кристаллу. Масса Р12-2 не превышала 25 мг. В таком исполнении ТС были устойчивы к воздействию относительной влажности 80% при температуре окружающей среды 40 ° С и к циклическим изменениям температуры от -60 ° до 60 ° С.

К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тыс. ТС Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч. Таким образом, 1962 год стал годом рождения микроэлектронной промышленности в США и СССР.

Рис. 10. Группы ТС Р12-2

Рис. 11. Основные электрические характеристики Р12-2

Полупроводниковая технология тогда находилась на стадии становления и ещё не гарантировала строгой повторяемости параметров. Поэтому работоспособные приборы рассортировывали по группам параметров (это часто делают и в наше время). Так же поступили и рижане, установив 8 типономиналов ТС Р12-2 (рис. 10). Все другие электрические и иные характеристики у всех типономиналов одинаковы (рис. 11).

Выпуск ТС Р12-2 начался одновременно с проведением ОКР “Твердость”, завершившимся в 1964 году (ГК Ю.В. Осокин). В рамках этой работы была разработана усовершенствованная групповая технология серийного производства германиевых ТС на основе фотолитографии и гальванического осаждения сплавов через фотомаску. Её основные технические решения зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В. и Михаловича Д.Л. (А.С. №36845). В издававшемся с грифом “секретно” журнале “Спецрадиоэлектроника” вышло несколько статей Ю.В. Осокина в соавторстве со специалистами КБ-1 И.В. Ничего, Г.Г. Смолко и Ю.Е. Наумовым с описанием конструкции и характеристик ТС Р12-2 (и последовавшей за ней ТС Р12-5).

Конструкция Р12-2 была всем хороша, кроме одного – потребители не умели применять такие маленькие изделия с тончайшими выводами. Ни технологии, ни оборудования для этого у аппаратурных фирм, как правило, не было. За всё время выпуска Р12-2 и Р12-5 их применение освоили НИИРЭ, Жигулевский радиозавод Минрадиопрома, ВЭФ, НИИП (с 1978 года НПО “Радиоприбор”) и немногие другие предприятия. Понимая проблему, разработчики ТС совместно с НИИРЭ сразу же продумали второй уровень конструкции, который одновременно увеличил плотность компоновки аппаратуры.

Рис. 12. Модуль из 4 ТС Р12-2

В1963 г. в НИИРЭ в рамках ОКР “Квант” (ГК А.Н. Пелипенко, при участии Е.М. Ляховича) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2 (рис.12). На микроплату из тонкого стеклотекстолита размещали от двух до четырёх ТС Р12-2 (в корпусе), реализующих в совокупности определённый функциональный узел. На плату впрессовывали до 17 выводов (число менялось для конкретного модуля) длиной 4 мм. Микроплату помещали в металлическую штампованную чашечку размером 21,6 ? 6,6 мм и глубиной 3,1 мм и заливали полимерным компаундом. В результате получилась гибридная интегральная схема (ГИС) с двойной герметизацией элементов. И, как мы уже говорили, это была первая в мире ГИС с двухуровневой интеграцией, а, возможно, вообще первая ГИС. Было разработано восемь типов модулей с общим названием “Квант”, выполнявших различные логические функции. В составе таких модулей ТС Р12-2 сохраняли работоспособность при воздействии постоянных ускорений до 150 g и вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5–2000 Гц с ускорением до 15 g .

Модули “Квант” сначала выпускало опытное производство НИИРЭ, а затем их передали на Жигулевский радиозавод Минрадиопрома СССР, поставлявший их различным потребителям, в том числе заводу ВЭФ.

ТС Р12-2 и модули “Квант” на их основе хорошо зарекомендовали себя и широко применялись. В 1968 году вышел стандарт, устанавливающий единую в стране систему обозначений интегральных схем, а в 1969 году – Общие технические условия на полупроводниковые (НП0.073.004ТУ) и гибридные (НП0.073.003ТУ) ИС с единой системой требований. В соответствии с этими требованиями в Центральном бюро по применению интегральных схем (ЦБПИМС, позже ЦКБ “Дейтон”, Зеленоград) 6 февраля 1969 года на ТС были утверждены новые технические условия ЩТ3.369.001-1ТУ. При этом в обозначении изделия впервые появился термин “интегральная схема” серии 102. ТС Р12-2 стали называться ИС: 1ЛБ021В, 1ЛБ021Г, 1ЛБ021Ж, 1ЛБ021И. Фактически это была одна ИС, рассортированная на четыре группы по выходному напряжению и нагрузочной способности.

Рис. 13. ИС серии 116 и 117

А 19 сентября 1970 года в ЦБПИМС были утверждены технические условия АВ0.308.014ТУ на модули “Квант”, получившие обозначение ИС серии 116 (рис.13). В состав серии входило девять ИС: 1ХЛ161, 1ХЛ162 и 1ХЛ163 – многофункциональные цифровые схемы; 1ЛЕ161 и 1ЛЕ162 – два и четыре логических элемента 2НЕ-ИЛИ; 1ТР161 и 1ТР1162 – один и два триггера; 1УП161 – усилитель мощности, а также 1ЛП161 – логический элемент "запрет" на 4 входа и 4 выхода. Каждая их этих ИС имела от четырёх до семи вариантов исполнения, отличающихся напряжением выходных сигналов и нагрузочной способностью, всего было 58 типономиналов ИС. Исполнения маркировались буквой после цифровой части обозначения ИС, например, 1ХЛ161Ж. В дальнейшем номенклатура модулей расширялась. ИС серии 116 фактически были гибридными, но по просьбе РЗПП были маркированы как полупроводниковые (первая цифра в обозначении – “ 1” , у гибридных должно быть “ 2”).

В 1972 году совместным решением Минэлектронпрома и Минрадиопрома производство модулей было передано из Жигулевского радиозавода на РЗПП. Это исключило транспортировку ИС серии 102 на дальние расстояния, поэтому отказались от герметизации кристалла каждой ИС. В результате упростилась конструкция ИС и 102-й, и 116-й серий: отпала необходимость корпусировать ИС серии 102 в металлическую чашечку с заливкой компаундом. Бескорпусные ИС серии 102 в технологической таре поступали в соседний цех на сборку ИС серии 116, монтировались непосредственно на их микроплату и герметизировались в корпусе модуля.

В середине 1970-х годов вышел новый стандарт на систему обозначений ИС. После этого, например, ИС 1ЛБ021В получила обозначение 102ЛБ1В.

Вторая ИС и ГИС Юрия Осокина. Твердая схема Р12-5 (ИС серий 103 и 117 )

К началу 1963 года в результате серьёзных работ по разработке высокочастотных n - p - n транзисторов коллектив Ю.В. Осокина накопил большой опыт работы с p -слоями на исходной n -германиевой пластине. Это и наличие всех необходимых технологических компонентов позволило Осокину в 1963 году приступить к разработке новой технологии и конструкции более быстродействующего варианта ТС. В 1964 году по заказу НИИРЭ была завершена разработка ТС Р12-5 и модулей на её основе. По её результатам в 1965 году была открыта ОКР “Паланга” (ГК Ю.В. Осокин, его заместитель – Д.Л. Михалович, завершена в 1966 году). Разрабатывались модули на основе Р12-5 в рамках той же ОКР “Квант”, что и модули на Р12-2. Одновременно с техническими условиями на серии 102 и 116 были утверждены технические условия ЩТ3.369.002-2ТУ на ИС серии 103 (Р12-5) и АВ0.308.016ТУ на ИС серии 117 (модули на основе ИС серии 103). Номенклатура типов и типономиналов ТС Р12-2, модулей на них и серий ИС 102 и 116 была идентична номенклатуре ТС Р12-5 и ИС серий 103 и 117, соответственно. Отличались они только быстродействием и технологией изготовления кристалла ИС. Типовое время задержки распространения сигнала серии 117 составило 55 нс против 200 нс в серии 116.

Конструктивно ТС Р12-5 представляла собой четырёхслойную полупроводниковую структуру (рис.14), где подложка n -типа и эммитеры p + -типа подсоединялись к общей шине “земли”. Основные технические решения построения ТС Р12-5 зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В., Михаловича Д.Л. Кайдалова Ж.А и Акменса Я.П. (А.С. №248847). При изготовлении четырехслойной структуры ТС Р12-5 важным ноу-хау было формирование в исходной германиевой пластине n -типа p -слоя. Это достигалось диффузией цинка в кварцевой отпаянной ампуле, где пластины располагаются при температуре около 900 ° С, а цинк – в другом конце ампулы при температуре около 500 ° С. Дальнейшее формирование структуры ТС в созданном p -слое аналогично ТС Р12-2. Новая технология позволила уйти от сложной формы кристалла ТС. Пластины с Р12-5 также шлифовались с тыльной стороны до толщины около 150 мкм с сохранением части исходной пластины, далее они скрайбировались на отдельные прямоугольные кристаллы ИС.

Рис. 14. Структура кристалла ТС Р12-5 из АС №248847. 1 и 2 – земля, 3 и 4 – входы, 5 – выход, 6 - питание

После первых положительных результатов изготовления опытных ТС Р12-5, по заказу КБ-1 была открыта НИР “Мезон- 2” , направленная на создание ТС с четырьмя Р12-5. В 1965 году получены действующие образцы в плоском металлокерамическом корпусе. Но Р12-5 оказалась сложной в производстве, главным образом – из-за сложности формирования легированного цинком p -слоя на исходной n - Ge пластине. Кристалл оказался трудоёмким в изготовлении, процент выхода годных низкий, стоимость ТС высокая. По этим же причинам ТС Р12-5 выпускалась в небольших объёмах и вытеснить более медленную, но технологичную Р12-2 она не смогла. А НИР “Мезон- 2” вообще не получил продолжения, в том числе – из-за проблем межсоединений.

К этому времени в НИИ “Пульсар” и в НИИМЭ уже широким фронтом велись работы по развитию планарной кремниевой технологии, обладающей рядом преимуществ перед германиевой, главные из которых – более высокий диапазон рабочих температур (+150°С у кремния и +70°С у германия) и наличии у кремния естественной защитной пленки SiO 2 . А специализация РЗПП была переориентирована на создание аналоговых ИС. Поэтому специалисты РЗПП посчитали развитие германиевой технологии для производства ИС нецелесообразным. Однако при производстве транзисторов и диодов германий ещё какое-то время не сдавал своих позиций. В отделе Ю.В. Осокина уже после 1966 года были разработаны и производились РЗПП германиевые планарные малошумящие СВЧ транзисторы ГТ329, ГТ341, ГТ 383 и др. Их создание было отмечено Государственной премией Латвийской СССР.

Применение

Рис. 15. Арифметическое устройство на твердосхемных модулях. Фото из буклета ТС от 1965 г.

Рис. 16. Сравнительные габариты устройства управления АТС, выполненного на реле и ТС. Фото из буклета ТС от 1965 г.

Заказчиками и первыми потребителями ТС Р12-2 и модулей были создатели конкретных систем: ЭВМ “Гном” (рис. 15) для бортовой самолетной системы “Купол” (НИИРЭ, ГК Ляхович Е.М.) и военно-морских и гражданских АТС (завод ВЭФ, ГК Мисуловин Л.Я.). Активно участвовало на всех стадиях создания ТС Р12-2, Р12-5 и модулей на их и КБ-1, главным куратором этого сотрудничества от КБ-1 был Н.А. Барканов. Помогали финансированием, изготовлением оборудования, исследованиями ТС и модулей в различных режимах и условиях эксплуатации.

ТС Р12-2 и модули “Квант” на её основе были первыми микросхемами в стране. Да и в мире они были среди первых – только в США начинали выпускать свои первые полупроводниковые ИС фирмы Texas Instruments и Fairchild Semiconductor , а в 1964 г. корпорация IBM начала выпуск толстопленочных гибридных ИС для своих ЭВМ. В других странах об ИС ещё и не задумывались. Поэтому интегральные схемы для общественности были диковинкой, эффективность их применения производила поразительное впечатление и обыгрывалась в рекламе. В сохранившемся буклете на ТС Р12-2 от 1965 года (на основе уже реальных применений) сказано: “ Применение твёрдых схем Р12-2 в бортовых вычислительных устройствах позволяет в 10–20 раз сократить вес и габариты этих устройств, уменьшить потребляемую мощность и увеличить надёжность работы. … Применение твёрдых схем Р12-2 в системах управления и коммутации трактов передачи информации АТС позволяет сократить объём управляющих устройств примерно в 300 раз, а также значительно снизить потребление электроэнергии (в 30--50 раз )” . Эти утверждения иллюстрировались фотографиями арифметического устройства ЭВМ “Гном” (рис. 15) и сравнением выпускаемой тогда заводом ВЭФ стойки АТС на основе реле с маленьким блочком на ладони девушки (рис.16). Были и другие многочисленные применения первых рижских ИС.

Производство

Сейчас трудно восстановить полную картину объёмов производства ИС серий 102 и 103 по годам (сегодня РЗПП из крупного завода превратился в небольшое производство и многие архивы утеряны). Но по воспоминаниям Ю.В. Осокина, во второй половине 1960-х годов производство исчислялось многими сотнями тысяч в год, в 1970-х годах – миллионами. По сохранившимся его личным записям в 1985 году было выпущено ИС серии 102 – 4 100 000 шт., модулей серии 116 – 1 025 000 шт., ИС серии 103 – 700 000 шт., модулей серии 117 – 175 000 шт.

В конце 1989 года Ю.В. Осокин, тогда генеральный директор ПО “Альфа”, обратился к руководству Военно-промышленной комиссии при СМ СССР (ВПК) с просьбой о снятии серий 102, 103, 116 и 117 с производства ввиду их морального старения и высокой трудоёмкости (за 25 лет микроэлектроника далеко ушла вперед), но получил категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В.Л. Коблов сказал ему, что самолеты летают надёжно, замена исключается. После распада СССР ИС серий 102, 103, 116 и 117 выпускались ещё до середины 1990-х годов, т. е. более 30 лет. ЭВМ “Гном” до сих пор стоят в штурманской кабине “Ил- 76” и некоторых других самолетов. “Это суперкомпьютер”, – не теряются наши лётчики, когда зарубежные коллеги удивленно интересуются невиданным ныне агрегатом.

О приоритетах

Несмотря на то, что у Дж. Килби и Р. Нойса были предшественники, именно они признаны мировой общественностью в качестве изобретателей интегральной схемы.

Р. Килби и Дж. Нойс через свои фирмы подали заявки на выдачу патента на изобретение интегральной схемы. Texas Instruments подала заявку на патент раньше, в феврале 1959 г., а Fairchild сделала это только в июле того же года. Но патент под номером 2981877 выдали в апреле 1961 г. Р. Нойсу. Дж. Килби подал в суд и только в июне 1964 г. получил свой патент под номером 3138743. Потом была десятилетняя война о приоритетах, в результате которой (редкий случай) “победила дружба”. В конечном счёте, Апелляционный Суд подтвердил претензии Р. Нойса на первенство в технологии, но постановил считать Дж. Килби создателем первой работающей микросхемы. А Texas Instruments и Fairchild Semiconductor подписали договор о кросс-лицензировании технологий.

В СССР патентование изобретений авторам ничего, кроме хлопот, ничтожной разовой выплаты и морального удовлетворения не давало, поэтому многие изобретения вообще не оформлялись. И Осокин тоже не спешил. Но для предприятий количество изобретений было одним из показателей, так что их всё же приходилось оформлять. Поэтому Авторское свидетельство СССР за №36845 на изобретение ТС Р12-2 Ю. Осокина и Д. Михалович получили только 28 июня 1966 года.

А Дж. Килби в 2000 г. за изобретение ИС стал одним из лауреатов Нобелевской премии. Р. Нойс не дождался мирового признания, он скончался в 1990 г., а п о положению Нобелевская премия не присваивается посмертно. Что, в данном случае, не совсем справедливо, поскольку вся микроэлектроника пошла по пути, начатом Р. Нойсом. Авторитет Нойса среди специалистов был настолько высок, что он даже получил прозвище “мэр Кремниевой долины”, поскольку был тогда самым популярным из ученых, работавших в той части Калифорнии, которая получила неофициальное название Silicon Valley (В. Шокли называли “Моисеем Кремниевой долины”). А путь Дж. Килби (“волосатый” германий) оказался тупиковым, и не был реализован даже в его фирме. Но жизнь не всегда справедлива.

Нобелевская премия была присвоена троим ученым. Половину её получил 77-летний Джек Килби, а вторую половину разделили между академиком Российской академии наук Жоресом Алферовым и профессором Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, американцем немецкого происхождения Гербертом Кремером, за “развитие полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике”.

Оценивая эти работы, эксперты отметили, что “интегральные схемы есть, безусловно, открытие века, оказавшее сильнейшее влияние на общество и мировую экономику”. Для всеми забытого Дж. Килби присуждение Нобелевской премии оказалось сюрпризом. В интервью журналу Europhysics News он признался: “ В то время я лишь думал о том, что было бы важным для развития электроники с точки зрения экономики. Но я не понимал тогда, что снижение стоимости электронных изделий вызовет лавинный рост электронных технологий” .

А работы Ю. Осокина не оценены не только Нобелевским комитетом. Забыты они и в нашей стране, приоритет страны в создании микроэлектроники не защищен. А он бесспорно был.

В 1950-е годы была создана материальная основа для формирования в одном монолитном кристалле или на одной керамической подложке многоэлементных изделий – интегральных схем. Поэтому не удивительно, что почти одновременно идея ИС независимо возникла в головах многих специалистов. А оперативность внедрения новой идеи зависела от технологических возможностей автора и заинтересованности изготовителя, т. е. от наличия первого потребителя. В этом отношении Ю. Осокин оказался в лучшем положении, чем его американские коллеги. Килби был новичком в TI , ему даже пришлось доказывать руководству фирмы принципиальную возможность реализации монолитной схемы изготовлением её макета. Собственно роль Дж. Килби в создании ИС сводится к перевоспитанию руководства TI и в провокации своим макетом Р. Нойса к активным действиям. В серийное производство изобретение Килби не пошло. Р. Нойс в своей молодой и ещё не окрепшей компании пошёл на создание новой планарной технологии, которая действительно стала основой последующей микроэлектроники, но поддалась автору не сразу. В связи с вышесказанным им обоим и их фирмам пришлось потратить немало сил и времени для практической реализации своих идей по построению серийноспособных ИС. Их первые образцы остались экспериментальными, а в серийное производство пошли уже другие микросхемы, даже не ими разработанные. В отличие от Килби и Нойса, которые были далеки от производства, заводчанин Ю. Осокин опирался на промышленно освоенные полупроводниковые технологии РЗПП, и у него были гарантированные потребители первых ТС в виде инициатора разработки НИИРЭ и рядом расположенного завода ВЭФ, помогавших в данной работе. По этим причинам уже первый вариант его ТС сразу пошел в опытное, плавно перешедшее в серийное производство, которое непрерывно продолжалось более 30 лет. Таким образом, начав разработку ТС позже Килби и Нойса, Ю. Осокин (не зная об этом соревновании) быстро догнал их. Причём работы Ю. Осокина никак не связаны с работами американцев, свидетельство тому абсолютная непохожесть его ТС и реализованных в ней решений на микросхемы Килби и Нойса. Производство своих ИС Texas Instruments (не изобретение Килби), Fairchild и РЗПП начали почти одновременно, в 1962 году. Это дает полное право рассматривать Ю. Осокина одним из изобретателей интегральной схемы наравне с Р. Нойсом и более, чем Дж. Килби, а часть нобелевской премии Дж. Килби было бы справедливо поделить с Ю. Осокиным. Что же касается изобретения первой ГИС с двухуровневой интеграцией (а возможно и ГИС вообще) то здесь приоритет А. Пелипенко из НИИРЭ абсолютно бесспорен.

К сожалению, не удалось найти образцов ТС и приборов на их основе, необходимых для музеев. Автор будет весьма признателен за такие образцы или их фотографии.

Всего лет двадцать пять назад радиолюбителям и специалистам старшего поколения пришлось заниматься изучением новых по тому времени приборов — транзисторов. Нелегко было отказываться от электронных ламп, к которым так привыкли, и переключаться на теснящее и все разрастающееся «семейство» полупроводниковых приборов.

А сейчас это «семейство» все больше и больше стало уступать свое место в радиотехнике и электронике полупроводниковым приборам новейшею поколения — интегральным микросхемам, часто называемым сокращенно ИМС.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема - это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

На аналоговой микросхеме

Из огромного «семейства» аналоговых самыми простыми являются микросхемы-близнецы» К118УН1А (К1УС181А) и К118УН1Б (К1УС181Б), входящие в серию К118.

Каждая из них представляет собой усилитель, содержащий... Впрочем, об электронной «начинке» лучше поговорить лозже. А пока будем считать их «черными ящичками» с выводами для подключения к ним источников питания, дополнительных деталей, входных и выходных цепей.

Разница же между ними заключается только в их коэффициентах усиления колебаний низких частот: коэффициент усиления микросхемы К118УН1А на частоте 12 кГц составляет 250, а микросхемы К118УН1Б — 400.

На высоких частотах коэффициент усиления этих микросхем одинаков — примерно 50. Так что любая из них может быть использована для усиления колебаний как низких, так и высоких частот, а значит, и для наших опытов. Внешний вид и условное обозначение этих микросхем-усилителей на принципиальных схемах устройств показаны на рис. 88.

Корпус у них пластмассовый прямоугольной формы. Сверху на корпусе — метка, служащая точкой отсчета номеров выводов. Микросхемы рассчитаны на питание от источника постоянного тока напряжением 6,3 В, которое подают через выводы 7 (+Uпит) и 14 (— U пит).

Источником питания может быть сетевой блок питания с регулируемым выходным напряжением или батарея, составленная из четырех элементов 334 и 343.

Первый опыт с микросхемой К118УН1А (или К118УН1Б) проводи по схеме, приведенной на рис. 89. В качестве монтажной платы используй картонную пластинку размерами примерно 50X40 мм.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным скобкам, пропущенным через проколы в картоне. Все они будут выполнять роль стоек, удерживающих микросхему на плате, а скобки выводов 7. и 14, кроме того, соединительными контактами с батареей GB 1 (или сетевым блоком питания).

Между ними с обеих сторон от микросхемы укрепи еще по два-три контакта, которые будут промежуточными для дополнительных деталей. Смонтируй на плате конденсаторы С1 (типа К50-6 или К50-3) и С2 (КЯС, БМ, МБМ), подключи к выходу микросхемы головные телефоны В2.

Ко входу микросхемы подключи (через конденсатор С1) электродинамический микрофон В1 любого типа или телефонный капсюль ДЭМ-4м, включи питание и, прижав поплотнее телефоны к ушам, постучи легонько карандашом по микрофону. Если ошибок в монтаже нет, в телефонах должны быть слышны звуки, напоминающие щелчки по барабану.

Попроси товарища сказать что-то перед микрофоном — в телефонах услышишь его голос. Вместо микрофона ко входу микросхемы можешь подключить радиотрансляционный (абонентский) громкоговоритель с его согласующим трансформатором. Эффект будет примерно таким же.

Продолжая опыт с телефонным устройством одностороннего действия, включи между общим (минусовым) проводником цепи питания и выводом 12 микросхемы электролитический конденсатор СЗ, обозначенный на схеме штриховыми линиями. При этом громкость звука в телефонах должна возрасти.

Телефоны станут звучать еще громче, если такой же конденсатор включить в цепь вывода 5 (на рис, 89 — конденсатор С4). Но если при этом усилитель возбудится, то между общим проводом и выводом 11 придется включить электролитический конденсатор емкостью 5 — 10 мкФ на. номинальное напряжение 10 В.

Еще один опыт: включи между выводами 10 и 3 микросхемы керамический или бумажный конденсатор емкостью 5 — 10 тыс. пикофарад. Что получилось? В телефонах появился непрекращающийся -звук средней тональности. С увеличением емкости этого конденсатора тон звука в телефонах должен понижаться, а с уменьшением повышаться. Проверь это.

А теперь раскроем этот «черный ящичек» и рассмотрим его «начинку» (рис. 90). Да, это двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между его транзисторами. Транзисторы кремниевые, структуры n-р- n . Низкочастотный сигнал, создаваемый микрофоном, поступает (через конденсатор С1) на вход микросхемы (вывод 3).

Падение напряжения, создающееся на резисторе R 6 в эмиттерной цепи транзистора V 2, через резисторы R 4 и R 5 подается на базу транзистора VI и открывает его. Резистор R 1 — нагрузка этого транзистора. Снимаемый с него усиленный сигнал поступает на базу транзистора V 2 для дополнительного усиления.

В опытном усилителе нагрузкой транзистора V 2 были головные телефоны, включенные в его коллекторную цепь, которые преобразовывали низкочастотный сигнал в звук.

Но его нагрузкой мог бы быть резистор R 5 микросхемы, если соединить вместе выводы 10 и 9. В таком случае телефоны надо включать между общим проводом и точкой соединения этих выводов через электролитический конденсатор емкостью в несколько микрофарад (положительной обкладкой к микросхеме).

При включении конденсатора между общим проводом и выводом 12 микросхемы громкость звука увеличилась, Почему? Потому что он, шунтируя резистор R 6 микросхемы, ослабил действующую в ней отрицательную обратную связь по переменному току.

Отрицательная обратная связь стала еще слабее, когда ты второй конденсатор включил в базовую цепь транзистора V 1. А третий конденсатор, включенный между общим проводом и выводом 11, образовал с резистором R 7 микросхемы развязывающий фильтр, предотвращающий возбуждение усилителя.

Что получилось при включении конденсатора между выводами 10 и 5? Он создал между выходом и входом усилителя положительную обратную связь, которая превратила его в генератор колебаний звуковой частоты.

Итак, как видишь, микросхема К118УН1Б (или К118УН1А) — это усилитель, который может быть низ-кочастотным или высокочастотным, например, в приемнике. Но он может стать и генератором электрических колебаний как низких, так и высоких частот.

Микросхема в радиоприемнике

Предлагаем испытать эту микросхему в высокочастотном тракте приемника, собранного, например, по схеме, приведенной на рис. 91. Входной контур магнитной антенны такого приемника образуют катушка L 1 и конденсатор переменной емкости С1. Высокочастотный сигнал радиостанции, на волну которой контур настроен, через катушку связи L 2 и разделительный конденсатор С2 поступает на вход (вывод 3) микросхемы Л1.

С выхода микросхемы (вывод 10, соединенный с выводом 9) усиленный сигнал подается через конденсатор С4 на детектор, диоды VI и V 2 которого включены по схеме умножения напряжения, а выделенный им низкочастотный сигнал телефоны В1 преобразуют в звук. Приемник питается от батареи GB 1, составленной из четырех элементов 332, 316 или пяти аккумуляторов Д-01.

Во многих транзисторных приемниках усилитель высокочастотного тракта образуют транзисторы, а в этом — микросхема. Только в этом и заключается разница между ними. Имея опыт предыдущих практикумов, ты, надеюсь, сможешь самостоятельно смонтировать иг наладить такой приемник и даже, если пожелаешь, дополнить его усилителем НЧгдля громкоговорящего радиоприема.

На логической микросхеме

Составной частью многих цифровых интегральных микросхем является логический элемент И-НЕ, условное обозначение которого ты видишь на рис. 92, а. Его символом служит знак «&», помещаемый внутри прямоугольника, обычно в верхнем левом углу, заменяющий союз «И» в английском языке. Слева два или больше входов, справа — один выход.

Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое Отрицание «НЕ» на выходе микросхемы. На языке цифровой техники «НЕ» означает, что элемент И-НЕ является инвертором, то есть устройством, выходные параметры которого противоположны входным.

Электрическое состояние и работу логического элемента характеризуют уровнями сигналов на его входах и выходе. Сигнал небольшого (или нулевого) напряжения, уровень которого не превышает 0,3 — 0,4 В, принято (в соответствии с двоичной системой счисления) называть логическим нулем (0), а сигнал более высокого напряжения (по сравнению с логическим 0), уровень которого может быть 2,5 — 3,5 В, — логической единицей (1).

Например, говорят: «на выходе элемента логическая 1». Это значит, что в данный момент на выходе элемента появился сигнал, напряжение которого соответствует уровню логической 1.

Чтобы не углубляться в технологию и устройство элемента И-НЕ, будем рассматривать его как «черный ящичек», у которого для электрического сигнала есть два входа и один выход.

Логика же элемента заключается в том, что при подаче на один из его входов логического О, а на второй вход логической 1, на выходе появляется сигнал логической 1, который исчезает при подаче на оба входа сигналов, соответствующих логической 1.

Для опытов, закрепляющих в памяти это свойство элемента, потребуются наиболее распространенная микросхема К155ЛАЗ, вольтметр постоянного тока, свежая батарея 3336Л и два резистора сопротивлением 1...1,2 кОм.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из четырех элементов 2И-НЕ (рис. 92, б), питающихся от одного общего источника постоянного тока напряжением 5 В, но каждый из них работает как самостоятельное логическое устройство. Цифра 2 в названии микросхемы указывает на то, что ее элементы имеют по два входа.

Внешним видом и конструктивно она, как и все микросхемы серии К155, не отличается от уже знакомой тебе аналоговой микросхемы К118УН1, только полярность подключения источника питания иная. Поэтому сделанная ранее тобой картонная плата подойдет и для опытов с этой микросхемой. Источник питания подключают: +5 В — к выводу 7» — 5 В — к выводу 14.

Но эти выводы не принято обозначать на схематическом изображении микросхемы. Объясняется это тем, что на принципиальных электрических схемах элементы, составляющие микросхему, изображают раздельно, например, как на рис. 92, в. Для опытов можно использовать любой из ее четырех элементов.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным стойкам на картонной плате (как на рис. 89). Один из входных выводов любого из ее элементов, например, элемента с выводами 1 — 3, соедини через ре-.зистор сопротивлением 1...1.2 кОм с выводом 14, вывод второго входа — непосредственно с общим («заземленным») проводником цепи питания, а к выходу элемента подключи вольтметр постоянного тока (рис. 93, а).

Включии питание. Что показывает вольтметр? Напряжение, равное примерно 3 В. Это напряжение соответствует сигналу логической 1 на выходе элемента. Тем же вольтметром измерь напряжение на выводе первого входа, И здесь, как видишь, тоже логическая 1. Следовательно, когда на одном из входов элемента логическая 1, а на втором логический 0, на выходе будет логическая 1.

Теперь вывод и второго входа соедини через резистор сопротивлением 1...1.2 кОм с выводом 14 и одновременно проволочной перемычкой — с общим проводником, как показано на рис. 93, б.

При этом на выходе, как и в первом опыте, будет логическая 1. Далее, следя за стрелкой вольтметра, удали проволочную перемычку, чтобы и на второй вход подать сигнал, соответствующий логической 1.

Что фиксирует вольтметр? Сигнал на выходе элемента преобразовался в логический 0. Так оно и должно быть! А если любой из входов периодически замыкать на общий провод и тем самым имитировать подачу на него логического 0, то с такой же частотой на выходе элемента станут появляться импульсы тока, о чем будут свидетельствовать колебания стрелки вольтметра. Проверь это опытным путем.

Свойство элемента И-НЕ изменять свое состояние под воздействием входных управляющих сигналов широко используется в различных устройствах цифровой вычислительной техники. Радиолюбители же, особенно начинающие, очень часто используют логический элемент как инвертор — устройство, сигнал на выходе которого противоположен входному сигналу.

Подтвердить такое свойство элемента может следующий опыт. Соедини вместе выводы обоих входов элемента и через резистор сопротивлением 1...1,2 кОм подключи их к выводу 14 (рис. 93, в).

Так ты подашь на общий вход элемента сигнал, соответствующий логической 1, напряжение которого можно измерить вольтметром. Что при этом получается на выходе?

Стрелка вольтметра, подключенного к нему, чуть отклонилась от нулевой отметки шкалы. Здесь, следовательно, как и предполагалось, сигнал соответствует логическому 0.

Затем, не отключая резистор от вывода 14 микросхемы, несколько раз подряд замкни проволочной перемычкой вход элемента на общий проводник (на рис. 93, в показано штриховой линией со стрелками) и одновременно следи за стрелкой вольтметра. Так ты убедишься в том, что когда на входе инвертора логический 0, на выходе в это время логическая 1 и, наоборот, когда на входе логическая 1 — на выходе логический 0.

Так работает инвертор, особенно часто используемый радиолюбителями в конструируемых ими импульсных устройствах.

Примером такого устройства может служить генератор импульсов, собранный по схеме, приведенной на рис. 94. В его работоспособности ты можешь убедиться сейчас же, затратив на это всего несколько минут.

Выход элемента D1.1 соедини с входами элемента D 1.2 той же микросхемы, его выход — с входами элемента DJ .3, а выход этого элемента (вывод 8) — с входом элемента D 1.1 через переменный резистор R1. К выходу элемента D 1.3 (между выводом 8 и общим проводником) подключи головные телефоны B 1, a параллельно элементам D1.1 и D 1.2 электролитический конденсатор С1.

Движок переменного резистора установи в правое (по схеме) положение и включи питание — в телефонах услышишь звук, тональность которого можно изменять переменным резистором.

В этом эксперименте элементы D 1.1, D 1.2 и D 1.3, соединенные между собой последовательно, подобно транзисторам трехкаскадного усилителя, образовали мультивибратор — генератор электрических импульсов прямоугольной формы.

Микросхема стала генератором благодаря конденсатору и резистору, создавшим между выходом и входом элементов частотозависимые цепи обратной связи. Переменным резистором частоту импульсов, генерируемых мультивибратором, можно плавно изменять примерно от 300 Гц до 10 кГц.

Какое практическое применение может найти такое импульсное устройство? Оно может стать, например, квартирным звонком, пробником для проверки работоспособности каскадов приемника и усилителя НЧ, генератором для тренировок по приему на слух телеграфной азбуки.

Самодельный игровой автомат на микросхеме

Подобное устройство можно превратить в игровой автомат «Красный или зеленый?». Схема такого имлульсного устройства приведена на рис. 95. Здесь элементы D 1.1, D 1.2, D 1.3 той же (или такой же) микросхемы К155ЛАЗ и конденсатор С1 образуют аналогичный мультивибратор, импульсы которого управляют транзисторами VI и V 2, включенными по схеме с общим эмиттером.

Элемент D 1.4 работает как инвертор. Благодаря ему импульсы мультивибратора поступают на базы транзисторов в противофазе и открывают их поочередно. Так, например, когда на входе инвертора уровень логической 1, а на выходе уровень логического 0, то в Эти моменты, времени транзистор В1 открыт и лампочка HI в его коллекторной цепи горит, а транзистор V 2 закрыт и его лампочка Н2 не горит.

При следующем импульсе инвертор изменит свое состояние на обратное. Теперь откроется транзистор V 2 и загорится лампочка Н2, а транзистор VI закроется и лампочка H 1 погаснет.

Но частота импульсов, генерируемых мультивибратором, сравнительно высокая (не меньше 15 кГц) и лампочки, естественно, не могут реагировать на каждый импульс.

Поэтому они светятся тускло. Но стоит нажать на кнопку S1, чтобы ее контактами замкнуть накоротко конденсатор С1 и тем самым сорвать генерацию мультивибратора, как тут же ярко загорится лампочка того из транзисторов, на базе которого в этот момент окажется напряжение, соответствующее логической 1, а другая лампочка совсем погаснет.

Заранее невозможно сказать, какая из лампочек после нажатия на кнопку будет продолжать гореть — можно только гадать. В этом смысл игры.

Игровой автомат вместе с батареей питания (3336Л или три элемента 343, соединенные последовательно) можно разместить в коробке небольших размеров, например в корпусе «карманного» приемника.

Лампочки накаливания HI и Н2 (МН2,5-0,068 или МН2,5-0,15) размести под отверстиями в лицевой стенке корпуса и закрой их колпачками или пластинками органического стекла красного и зеленого цветов. Здесь же укрепи выключатель питания (тумблер ТВ-1) и кнопочный выключатель §1 (типа П2К или КМ-Н) остановки мультивибратора.

Налаживание игрового автомата заключается в тщательном подборе резистора R 1. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при остановке мультивибратора кнопкой S 1 по крайней мере 80 — 100 раз число загораний каждой из лампочек было примерно одинаково.

Сначала проверь, работает ли мультивибратор. Для этого параллельно конденсатору С1, е,мкость которого может быть 0,1...0,5 мкФ, подключи электролитический конденсатор емкостью 20...30 мкФ, а к выходу мультивибратора головные телефоны — в телефонах должен появиться звук низкой тональности.

Этот звук — признак работы мультивибратора. Затем удали электролитический конденсатор, резистор R 1 замени подстроечным резистором сопротивлением 1,2...1,3 кОм, а между выводами 8 и 11 элементов DI .3 и D 1.4 включи вольтметр постоянного тока. Изменением сопротивления подстро-ечного резистора добейся такого положения, чтобы вольтметр показывал нулевое напряжение между выходами этих элементов микросхемы.

Число играющих может быть любое. Каждый по очереди нажимает на кнопку остановки мультивибратора. Выигрывает тот, кто при равном числе ходов, например двадцати нажатий на кнопку, большее число раз угадает цвета загорающихся лампочек после остановки мультивибратора.

К сожалению, частота мультивибратора описанного здесь простейшего игрового автомата из-за разрядки батареи несколько изменяется, что, конечно, сказывается на равновероятности зажигания разных лампочек, поэтому лучше питать его от источника стабилизированного напряжения 5 В.

Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Микроэлектроника - наиболее значительное и, как считают многие, важнейшее научно‑техническое достижение современности. Сравнить ее можно с такими поворотными событиями в истории техники, как изобретение книгопечатания в XVI веке, создание паровой машины в XVIII веке и развитие электротехники в XIX. И когда сегодня речь заходит о научно‑технической революции, то в первую очередь имеется в виду именно микроэлектроника. Как ни одно другое техническое достижение наших дней, она пронизывает все сферы жизни и делает реальностью то, что еще вчера было просто невозможно себе представить. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о карманных микрокалькуляторах, миниатюрных радиоприемниках, электронных управляющих устройствах в бытовых приборах, часах, компьютерах и программируемых ЭВМ. И это лишь небольшая часть области ее применения!

Своим возникновением и самим существованием микроэлектроника обязана созданию нового сверхминиатюрного электронного элемента - интегральной микросхемы. Появление этих схем, собственно, не было каким‑то принципиально новым изобретением - оно прямо вытекало из логики развития полупроводниковых приборов. Поначалу, когда полупроводниковые элементы только входили в жизнь, каждый транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, то есть заключался в свой индивидуальный корпус и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Так поступали даже в тех случаях, когда приходилось собирать множество однотипных схем из одних и тех же элементов. Но постепенно пришло понимание того, что подобные устройства рациональнее не собирать из отдельных элементов, а сразу изготавливать на одном общем кристалле, тем более что полупроводниковая электроника создавала для этого все предпосылки. В самом деле, все полупроводниковые элементы по своему устройству очень похожи друг на друга, имеют одинаковый принцип действия и различаются только взаиморасположением p‑n областей. Эти p‑n области, как мы помним, создаются путем внесения однотипных примесей в поверхностный слой полупроводникового кристалла. Причем надежная и со всех точек зрения удовлетворительная работа подавляющего большинства полупроводниковых элементов обеспечивается при толщине поверхностного рабочего слоя в тысячные доли миллиметра. В самых миниатюрных транзисторах обычно используется только верхний слой полупроводникового кристалла, составляющий всего 1% его толщины. Остальные 99% выполняют роль носителя или подложки, так как без подложки транзистор просто мог разрушиться от малейшего прикосновения. Следовательно, используя технологию, применяемую для изготовления отдельных электронных компонентов, можно сразу создать на одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен и даже тысяч таких компонентов. Выигрыш от этого будет огромный. Во‑первых, сразу снизятся затраты (стоимость микросхемы обычно в сотни раз меньше, чем совокупная стоимость всех электронных элементов ее составляющих). Во‑вторых, такое устройство будет гораздо надежнее (как показывает опыт, в тысячи и десятки тысяч раз), а это имеет колоссальное значение, поскольку поиск неисправности в схеме из десятков или сотен тысяч электронных компонентов превращается в чрезвычайно сложную проблему. В‑третьих, из‑за того, что все электронные элементы интегральной микросхемы в сотни и тысячи раз меньше своих аналогов в обычной сборной схеме, их энергопотребление намного меньше, а быстродействие - гораздо выше.

Ключевым событием, возвестившем приход интегрализации в электронику, явилось предложение американского инженера Дж. Килби из фирмы «Texas Instruments» получать эквивалентные элементы для всей схемы, такие как регистры, конденсаторы, транзисторы и диоды в монолитном куске чистого кремния. Первую интегральную полупроводниковую схему Килби создал летом 1958 года. А уже в 1961 году фирма «Fairchild Semiconductor Corporation» выпустила первые серийные микросхемы для ЭВМ: схему совпадений, полусдвигающий регистр и триггер. В том же году производство полупроводниковых интегральных логических схем освоила фирма «Texas». В следующем году появились интегральные схемы других фирм. В короткое время в интегральном исполнении были созданы различные типы усилителей. В 1962 году фирма RCA разработала интегральные микросхемы матриц памяти для запоминающих устройств ЭВМ. Постепенно выпуск микросхем был налажен во всех странах - эра микроэлектроники началась.

Исходным материалом для интегральной микросхемы обычно служит необработанная пластина из чистого кремния. Она имеет сравнительно большие размеры, так как на ней одновременно изготавливают сразу несколько сотен однотипных микросхем. Первая операция состоит в том, что под воздействием кислорода при температуре 1000 градусов на поверхности этой пластины формируют слой двуокиси кремния. Оксид кремния отличается большой химической и механической стойкостью и обладает свойствами прекрасного диэлектрика, обеспечивающего надежную изоляцию расположенному под ним кремнию. Следующий шаг - внесение примесей для создания зон p или n проводимости. Для этого оксидную пленку удаляют с тех мест пластины, которые соответствуют отдельным электронным компонентам. Выделение нужных участков происходит с помощью процесса, получившего название фотолитографии. Сначала весь слой оксида покрывают светочувствительным составом (фоторезистом), который играет роль фотографической пленки - его можно засвечивать и проявлять. После этого через специальный фотошаблон, содержащий рисунок поверхности полупроводникового кристалла, пластину освещают ультрафиолетовыми лучами. Под воздействием света на слое оксида формируется плоский рисунок, причем незасвеченные участки остаются светлыми, а все остальные - затемненными. В том месте, где фоторезистор подвергся действию света, образуются нерастворимые участки пленки, стойкие к кислоте. Затем пластину обрабатывают растворителем, который удаляет фоторезист с засвеченных участков. С открывшихся мест (и только с них) слой оксида кремния вытравливают с помощью кислоты. В результате в нужных местах оксид кремния растворяется и открываются «окна» чистого кремния, готовые к внесению примесей (лигированию). Для этого поверхность подложки при температуре 900‑1200 градусов подвергают воздействию нужной примеси, например, фосфора или мышьяка, для получения проводимости n‑типа. Атомы примеси проникают в глубь чистого кремния, но отталкиваются его оксидом. Обработав пластину одним видом примеси, готовят ее для лигирования другим видом - поверхность пластины вновь покрывают слоем оксида, проводят новую фотолитографию и травление, в результате чего открываются новые «окошки» кремния. Вслед за тем следует новое лигирование, например бором, для получения проводимости p‑типа. Так на всей поверхности кристалла в нужных местах образуются p и n области. (Изоляция между отдельными элементами может создаваться несколькими способами: такой изоляцией может служить слой оксида кремния, можно также создавать в нужных местах запирающие p‑n переходы.) Следующий этап обработки связан с нанесением токопроводящих соединений (токопроводящих линий) между элементами интегральной схемы, а также между этими элементами и контактами для подключения внешних цепей. Для этого на подложку напыляют тонкий слой алюминия, который оседает в виде тончайшей пленки. Ее подвергают фотолитографической обработке и травлению, аналогичным описанным выше. В результате от всего слоя металла остаются только тонкие токопроводящие линии и контактные площадки. В заключение всю поверхность полупроводникового кристалла покрывают защитным слоем (чаще всего, силикатным стеклом), который затем удаляют с контактных площадок. Все изготовленные микросхемы подвергаются строжайшей проверке на контрольно‑испытательном стенде. Дефектные схемы помечаются красной точкой. Наконец кристалл разрезается на отдельные пластинки‑микросхемы, каждая из которых заключается в прочный корпус с выводами для присоединения к внешним цепям.

Сложность интегральной схемы характеризуется показателем, который получил название степени интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, - интегральными схемами со средней степенью интеграции; схемы, содержащие до десятка тысяч элементов, - большими интегральными схемами. Уже изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов (они называются сверхбольшими). Постепенное повышение интеграции привело к тому, что схемы с каждым годом становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными. Огромное количество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке. Чрезвычайно важным событием на этом пути стало создание в 1971 году американской фирмой «Интел» единой интегральной схемы для выполнения арифметических и логических операций - микропроцессора. Это повлекло за собой грандиозный прорыв микроэлектроники в сферу вычислительной техники.