Развитие полупроводниковой электроники

Корни полупроводниковой электроники уходят в середину XIX века, когда были разработаны основы термодинамики, изучающей свойства макроскопических физических систем без обращения к атомно-молекулярному строению, вещества. Вслед за этим были открыты эффекты, которые в дальнейшем легли в основу создания фоторезисторов, ламп, диодов (детекторов), транзисторов и других элементов.

В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек (1770-1831), увлеченный опытами Эрстеда и Ампера, припаяв друг к другу два разнородных металла, соединил их медным проводником и поместил внутри петли. образованной проводником, магнитную стрелку. Нагревая место спая свечкой, Зеебек обнаружил отклонение магнитной стрелки. Это означало, что при нагревании в цепи возникал электрический ток. Зеебек открыл термоэлектрический эффект. При этом обнаружилось, что когда одним из элементов спая служили теллур, сульфид свинца или некоторые другие материалы, которые через 100 лет назовут полупроводниками, электрический ток не возникал. Но в то время на факт существования класса веществ с необычными свойствами не обратили внимания.

Чуть позже великий английский физик М. Фарадей (1791-1867), исследуя температурную зависимость электропроводности сернистого серебра, которое в его время считали металлом, установил, что его электропроводность не падает, как у металлов, а возрастает, что характерно как раз для полупроводников. Фарадей предсказал возможное существования веществ с необычными электрическими свойствами, но и тогда никто не занялся исследованием таких веществ, поскольку потребность в полупроводниках тогда еще не сформировалась.

В 1873 году инженер-электрик из Лондона У. Смит занимался испытаниями подводного телеграфного кабеля. Для изоляции кабеля он решил использовать селен. Селен, открытый в начале века шведским химиком Берцелиусом (1779-1848), будучи расплавленным, а затем быстро охлажденным, застывает в стекловидную массу с очень большим сопротивлением. Эта масса и использовалась в качестве изоляции для кабеля. Наблюдательный помощник Смита Мей заметил, что на свету сопротивление селена. становится значительно меньше, чем в темноте. Селен оказался чувствителен даже к слабому свету Луны. Изменение сопротивления селенового столбика под воздействием света почти немедленно стали использовать для изготовления фотосопротивлений.

В этом же году англичанин Ф. Браун обнаружил, что контакт сернистого свинца с металлом имеет малое сопротивление при одном направлении протекающего через него тока и очень большое - при противоположном.

Эффект Эдисона"

Только на рубеже XX столетия физики начали специально изучать материалы, которые были ни металлами, ни диэлектриками и за изучение полупроводников взялись всерьез.

Но электроника начиналась не с полупроводников, а с электронных ламп, фундамент которых заложил великий американский изобретатель Т. А. Эдисон (1847-1931). В 1883 году, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью введением в ее вакуумный баллон металлического стержня, он обнаружил между этим стержнем-электродом и нитью ток. В условиях вакуума ток возникал при подаче положительного потенциала на электрод. Это явление, получившее название " эффект Эдисона ", а впоследствии - " термоэлектронная эмиссия "; оказалось единственным фундаментальным открытием изобретателя, на которое он сам не обратил серьезного внимания. Оно-то и лежит в основе всех электронных ламп, а следовательно, и в основе всей электроники первого периода ее развития, называемого эрой электронных ламп. Но тем не менее несколько десятков лет ни сам Эдисон, ни другие ученые не могли найти применения этому явлению. Изобретение в 1895 году радио А. С. Поповым привлекло внимание к указанному эффекту тем, что он мог быть, использован для создания прибора, пропускающего ток в одном направлении, т. е. выпрямителя.

Первые электронные лампы

Через четырнадцать лет, в 1897 году, открытие электрона навело англичанина Джона Эмброуза Флеминга (1849-1945), который работал консультантом в фирме Эдисона в Лондоне Edison Electric Light Co., на мысль о том, что полузабытое явление, которое наблюдал Эдисон, объяснялось тем, что раскаленная нить лампы испускала электроны, которые притягивались к положительно заряженному электроду. Когда электрод заряжен отрицательно, электроны отталкиваются от него.

В 1904 году Флеминг сконструировал лампу, в которой металлическая сетка, заряженная положительно, окружала нить накаливания. Лампа пропускала только положительную полуволну переменного тока и была первым в мире электронным выпрямителем, или диодом.

Многочисленные опыты с диодами привели к новым открытиям. В 1906 году Ли де Форест (1873-1961) открыл, что потоком электронов можно управлять при помощи третьего электрода (сетки), подавая на него положительный, или отрицательный потенциал, т. е. изобрел трехэлектродную лампу-триод. 25 октября 1906 года Ли де Форест подал заявку на выдачу патента на трехэлектродную вакуумную лампу.

Родился Ли де Форест в семье священника в штате Айова, США, обучался в Мельском университете. Работал в области телефонии, затем занялся изобретениями в области "беспроволочного телеграфа" – радио. Пытаясь улучшить прием радиоволн, он непрестанно совершенствовал различные виды детекторов, бывших тогда в употреблении. Устройство триода, которое де Форест в конце концов создал, и было результатом последовательного поиска, продолжавшегося с 1900 года. Свое изобретение он назвал "аудионом" и в течение последующих лет аудионные усилители в телефонной и радиосвязи вытеснили прежние устройства. Де Форест прожил долгую жизнь, не зная "недостатка" в патентах – он их получил несколько сотен. Многие из изобретений имели коммерческий успех, но ни одно не приблизилось по важности к чудесному триоду.

После создания вакуумного диода и триода электронные, лампы стали широко применяться в генераторах и передатчиках, усилителях и выпрямителях. радиоприемниках и, наконец, в электронных вычислительных машинах. Появились стабилитроны, газотроны, клистроны, магнетроны, амплитроны и многие другие лампы, сложные не только по названию, но и по конструкции. И это закономерно, так как жизнь требовала новых электронных устройств, состоящих из большого числа элементов и решающих самые разнообразные задачи. Усилители на электронных лампах опускались на дно океанов вместе с трансатлантическими телефонными кабелями и взлетали в небо с самолетными радиостанциями.

В 1927 году американская фирма Веll Telephone продемонстрировала первую промышленную телевизионную установку, собранную на электронных лампах. Казалось, что электронные лампы на многие годы обеспечат прогресс только что зародившейся, но уже необходимой людям десятков специальностей науки радиоэлектроники.

Тем не менее вакуумным лампам были присущи серьезные недостатки: они занимали много места, потребляли огромное количество энергии, выделяли много тепла и быстро выгорали. Например, в одной из первых американских электронных вычислительных машин было 18 000 ламп. Они выделяли столько тепла, что, несмотря на множество вентиляторов, установленных в машинном зале, температура в нем Поднималась до 50° С. В самой простейшей отечественной машине "Урал" насчитывалось около 1000 ламп (меньше, чем элементов в современных электронных часах), каждая из которых выходила из строя примерно через 50 часов. В больших машинах типа БЭСМ насчитывалось уже 5-6 тысяч ламп и предполагалось их число довести до 10 тысяч, а это означало бы сокращение времени безотказной работы ЭВМ до 5 часов. При этом потребовалось бы время и, для того, чтобы найти перегоревшею лампу среди 10 тысяч ей подобных. К тому же лампы наделили первые компьютеры "болезнью", которую вполне можно было назвать технологической медлительностью. Кроме того, лампа оказывалась не в состоянии справиться с усложняющимися задачами. Устройствам на электронных лампах нужны минуты для того, чтобы прогреться и прийти в рабочее состояние. Между тем, эти минуты могут решить судьбу самолета, с которым нельзя установить связь, или военного корабля, у которого не работает радиолокатор или автомат управления стрельбой.

Необходимость создания нового элемента с принципиально неограниченным сроком службы, не требующим прогрева, не боящимся механических воздействий, экономичного, легкого, дешевого ощущалась все острее.