Страницы истории науки и техники

Первый период развития электроники, закончившийся в основном в пятидесятых годах XX в., характерен широким применением электровакуумных приборов — электронных ламп, в которых создается движущийся в вакууме поток электронов, отбираемых от катода, и производится с помощью создаваемого электродами электрического поля управление этим потоком. Электронные лампы представляют собой вакуумированные колбы, в центре которых находится источник электронов — катод (обычно вольфрамовая нить накала). Лампы могут иметь различное число электродов: два (диод), три (триод), четыре (тетрод), пять (пентод) и т. д. Электронные лампы нашли очень широкое применение, главным образом в радиоаппаратуре и в ЭВМ первого поколения. В их функции входило: выпрямление переменного тока, преобразование энергии источника тока в энергию электромагнитных колебаний.

Второй период развития электроники, начало которому было положено в пятидесятых годах XX в., определяется переходом (прежде всего в радиоаппаратуре и в ЭВМ теперь уже второго поколения) от электровакуумных приборов (электронных ламп) к полупроводниковым приборам.

Полупроводниками называются такие вещества, электрическая проводимость[359] которых имеет среднюю величину между электропроводностью металлов и диэлектриков. Важным свойством полупроводников является их способность очень сильно изменять свою проводимость при изменении температуры (при повышении температуры их проводимость резко возрастает), а также в результате изменения освещенности, воздействия электрического поля, потоков быстрых частиц и некоторых других внешних воздействий.

В качестве полупроводников используются главным образом монокристаллы германия и кремния, а также химические соединения некоторых других элементов. Важно отметить, что полупроводники очень чувствительны к загрязнению, т. е. к присутствию в полупроводниковом веществе других, посторонних веществ, даже в самом ничтожном количестве, а также к дефектам кристаллической решетки. Поэтому изготовление полупроводников — дело тонкое и трудное.

Носителями тока в полупроводнике являются электроны проводимости т. е. электроны, способные перемещаться по кристаллу, и так называемые дырки — положительно заряженные носители тока в полупроводнике, или, как их называют в физике, электронные вакансии в кристалле полупроводника, обладающие подвижностью. Не так просто популярно объяснить, что представляют собой положительно заряженные носители тока, названные дырками. Мы воспользуемся для этого словами известного советского ученого А. И. Китайгородского из его научно-популярной книги «Электроны»[360]. «Представьте себе строй физкультурников. Один человек вышел по каким-то причинам из строя. Осталось свободное место. Хотя это звучит не очень эстетично, скажем так: образовалась дырка. Для того чтобы выровнять строй, дана команда соседу „дырки“ передвинуться на свободное место. Но тогда, как совершенно ясно, образуется новое пустое место. И его можно заполнить, приказав следующему человеку занять место „дырки“. Если физкультурники будут перемещаться справа налево, то „дырка“ будет перемещаться слева направо. Вот эта схема и объясняет позитивную проводимость полупроводников».

В идеальных кристаллах электроны проводимости и дырки появляются всегда парами, в результате чего концентрации обоих типов носителей проводимости равны. В реальных кристаллах с присущими им примесями других веществ и дефектами структуры равенство обоих типов носителей тока нарушается, и в этом случае проводимость осуществляется только одним носителем тока — отрицательным (электроны проводимости) или положительным (дырки).

Третий период развития электроники, начало которому было положено в первой четверти 60-х годов, именуется периодом микроэлектроники или интегральной микроэлектроники.

Новым в этом случае является создание таких крошечных электронных элементов, что на первый взгляд это кажется фантастикой: посудите сами — до 10 тыс. в 1 см³ полупроводникового кристалла.

Создание интегральных микроэлектронных приборов является еще более тонким и трудным делом, чем производство обычных электронных приборов. Для их производства пришлось отказаться от существовавшей ранее технологии изготовления электронных приборов, заключавшейся в сборке отдельных их элементов — транзисторов, сопротивлений и др., соединяемых между собой проводниками, и перейти к конструированию электронного прибора непосредственно внутри (и на поверхности) полупроводникового кристалла. Эта более чем ювелирная работа производится путем внесения в нужные места кристалла (который должен быть превращен в интегральный, полупроводниковый, электронный прибор, могущий состоять из тысяч электронных элементов) примеси с отрицательными или положительными носителями тока. Иными словами, надо реконструировать полупроводниковый кристалл и превратить его в электронный (микроэлектронный) прибор.