История появления полупроводниковых интегральных схем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Южный Федеральный Университет
Факультет автоматики и вычислительной техники
Кафедра Математического обеспечения и применения ЭВМ
РЕФЕРАТ
по теме «История появления полупроводниковых интегральных схем»
по курсу «Электроника и электротехника»
Выполнил:
Студент группы А-80
Овчинников Денис
Проверил
Доцент каф. САУ
Югай В.Я.
Цели
Цель работы: изучить историю появления полупроводниковых интегральных схем, уделив особое внимание аналоговым системам.
Задачи:
- ознакомиться с литературой по данной теме;
- изучить основные этапы развития интегральных схем в мире;
- изучить основные этапы развития интегральных схем в СССР;
- сделать выводы по результатам, полученным входе выполнения работы.
Введение
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.
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.
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. Однако 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. 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.
Первой действительно интегральной схемой Килби, выполненной в одном кусочке монолитного германия, оказалась экспериментальная ИС триггера Type 502. 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.
интегральный схема килби кремниевый
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 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, 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 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 выслушать 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.
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.
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.
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, 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.
Перед рижанами стояли принципиально новые задачи: реализовать на одном кристалле два транзистора и два резистора, исключив их паразитное взаимное влияние. В СССР никто ничего подобного не делал, а о работах Дж. Килби и Р. Нойса никакой информации в РЗПП не было. Но специалисты РЗПП успешно преодолели эти проблемы, причём совершенно не так, как это сделали американцы.
В отличие от Texas Instruments, рижане сумели создать вполне технологичные ИС на германиевых меза-транзисторах. Основой техпроцесса стали три фотолитографии. В ходе первой на пластине р-германия с сформированным n-слоем под базовую область (методом диффузии Sb) создавалась маска под эмиттер. Через неё гальванически осаждали и вплавляли эмиттерный сплав PbInSb (т. е. в теле базы n-типа формировали p-область эмиттера). Затем одновременно с удалением использованного фоторезиста удалялись и излишки эмиттерного сплава так, что образовывалась плоская поверхность германиевой пластины, что упрощает последующие фотолитографии. При второй фотолитографии формировали маску под мезу транзисторных структур (так решался вопрос изоляции транзисторов). Третья фотолитография производится для придания требуемой конфигурации кристаллу ТС. Р. Нойс изолировал полупроводниковые структуры ИС от периферийных частей кристалла (что бы исключить их паразитное влияние на работу схемы) обратно включенные p - n переходы. Ю.В. Осокин ничего об этом не знал и поступил иначе. При помощи третьей фотолитографии он просто убрал из кристалла ненужные и мешающие части германия. В результате получали сложную в плане конфигурацию кристалла в виде лопатки, где p-германий черенка служил резистором R1, острие штыка лопатки - резистором R2, а сам штык лопатки являлся коллекторной областью транзисторов. По третьей маске осуществлялось глубокое, почти сквозное травление германиевой пластины по контурам кристаллов ТС, почти до их разделения. Окончательно пластина разделялась на кристаллы ТС при шлифовке её тыльной стороны до толщины около 100 мкм, ТС структуры при этом распадались на отдельные кристаллы сложной формы. Именно так была реализована групповая технология изготовления ТС (в отличие от Ю. Осокина Р. Нойс делал только одну ИС на пластине).
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 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.
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.
Применение
Заказчиками и первыми потребителями ТС Р12-2 и модулей были создатели конкретных систем: ЭВМ Гном 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 и сравнением выпускаемой тогда заводом ВЭФ стойки АТС на основе реле с маленьким блочком на ладони девушки. Были и другие многочисленные применения первых рижских ИС.
Заключение
Создание интегральных схем привело к быстрому развитию микроэлектроники по всему миру. Сотни тысяч людей стали заниматься этой отраслью и техника начала развиваться небывалыми темпами. С помощью интегральных схем начали создавать высоконадёжные и быстродействующие системы, которые сразу нашли применение в космической и военной областях. Все современные телефоны, смартфоны, планшетные и настольные компьютеры, ноутбуки и прочие гаджеты - это наследие интегральных схем. Без них они бы не существовали. К сожалению, об этом знает очень мало людей.
1. Интернет сайт «Виртуальный компьютерный музей» - http://www.computer-museum.ru/histekb/integral_1.htm
. Интернет энциклопедия «Википедия» - http://www.rHYPERLINK "http://www.ru.wikipedia.org/"uHYPERLINK "http://www.ru.wikipedia.org/".wikipedia.org