ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА РАДИОТЕХНИКИ

Из вихрей и противуборств возник

Мир осязаемых

И стойких равновесий.

М. Волошин. Путями Каина. Мятеж (1923)

В первых приемных устройствах для преобразования электромагнитных волн в электрический сигнал использовался когерер. Через несколько лет когерер был заменен детектором – элементом, обладающим односторонней проводимостью. Толчком к этому было обнаружение помощниками А. С. Попова П. Н. Рыбкиным и Д. С. Троицким в 1899 г. возможности принимать сообщения на слух, используя телефонную трубку, без встряхивания когерера, то есть обнаружение, как бы мы сейчас сказали, детекторного эффекта когерера.

Детекторный эффект, то есть зависимость проводимости материалов от направления проходящего через них электрического тока, обнаружил немецкий физик Карл Фердинанд Браун в 1874 г. Он заметил, что точка контакта кристалла сульфида свинца с металлическим “усиком” обладает выпрямляющим свойством, то есть имеет высокое сопротивление току, проходящему в одном направлении, и низкое – в обратном.

Следует отметить, что интересные свойства сульфидов металлов отметил великий экспериментатор Майкл Фарадей еще в 1833 г. Он установил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается с ростом температуры, в то время как у проводников эта зависимость обратная. Позже материалы с такими свойствами стали называться полупроводниками.

Впервые применил кристаллический детектор в приемнике А. С. Попов в 1899 г. (телефонный приемник депеш). Запатентован полупроводниковый кристаллический детектор американским инженером-электриком Г. В. Пикардом в 1906 г., но поиск различных вариантов детекторов в разных странах шел как до даты выдачи патента, так и после нее. Кристаллический детектор представлял собой достаточно капризную конструкцию, которая обеспечивала точечный контакт проводника с кристаллом, причем от положения точки контакта на поверхности кристалла в очень сильной степени зависели детекторные свойства. Поиск наиболее чувствительной точки на кристалле был не простым делом.

Кристаллические детекторы использовались в приемниках связных радиостанций в течение первого десятилетия ХХ века, пока их не сменили ламповые детекторы.

Историю создания лампового диода следует начать с эффекта Эдисона. Среди более тысячи изобретений всемирно известного американского изобретателя и предпринимателя Томаса Альва Эдисона есть и изобретение лампы накаливания (1879 г.). В 1883 г. Т. А. Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью накаливания введением в вакуумный баллон металлического электрода, обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между электродом и нитью протекает ток. При изменении полярности прикладываемого к электроду напряжения ток перестает течь. Фактически Эдисон открыл прибор, обладающий односторонней проводимостью, впоследствии названный диодом. Это открытие в памяти человечества осталось как “эффект Эдисона” Создавалось впечатление, что отрицательно заряженная раскаленная нить (катод) испускает какие-то лучи, улавливаемые положительно заряженным электродом (анодом). Эти лучи назвали катодными. Эдисон не придал значения этому открытию (а оно было единственным фундаментальным научным открытием великого изобретателя), очевидно, потому, что не увидел в нем никакой экономической выгоды, а он был человеком деловым.

Катодными лучами заинтересовался крупный английский физик Джозеф Джон Томсон. Большинство физиков того времени считали, что катодные лучи представляют собой поток каких-то заряженных частиц, но были ученые, например Герц, которые думали, что это особый вид электромагнитных волн. Томсон был сторонником первого взгляда и поставил задачу выяснить, что же это за частицы. В 1897 г. он экспериментально определил отношение заряда к массе этой частицы e/m=2,3*10¹¹ Кл/кг. Величина наименьшего заряда к тому времени уже была определена по данным электролиза – 10^-19 Кл. Тогда оказывалось, что масса частицы в 1000 раз меньше массы самого маленького атома – атома водорода. Ученый мир не поверил в существование такой частицы. Но вскоре были получены подтверждающие результаты при исследовании фотоэффекта и радиоактивного распада. Физики пришли к выводу, что открыта новая частица, и назвали ее электроном. Таким образом, оказалось, что катодные лучи представляли собой поток отрицательно заряженных частиц – электронов.

Практическое применение эффекту Эдисона нашел английский инженер Джон Флеминг. В 1881 г. он поступил на службу в компанию Эдисона в Лондоне на должность инженера-электрика. Флеминг самостоятельно пришел к выводу об излучении раскаленной нити. Он обратил внимание на то, что на стеклянных колбах перегоревших ламп образовывался налет за исключением затененных мест, куда не попадал свет от нити накаливания. Проведя многочисленные наблюдения в конце 1882 и начале 1883 гг., Флеминг пришел к выводу, что молекулы углерода или выпаренного металла из раскаленной нити бомбардировали стенки лампы и оставляли на ней след.

В 1888 г. Флеминг повторил опыт Эдисона, используя в качестве положительно заряженного электрода сначала пластину, а затем цилиндр вокруг нити накаливания. Но он пошел дальше Эдисона. Если Эдисон прикладывал постоянное напряжение между нитью накаливания и пластиной, то Флеминг приложил переменное напряжение и увидел, что стрелка гальванометра, включенного в цепь между нитью накаливания и пластиной, отклонилась на постоянную величину. Это означало, что лампа вела себя как выпрямитель переменного тока. Флеминг предложил компании Маркони использовать лампу в качестве детектора высокочастотных колебаний, где она стала широко использоваться.

В 1904 г. он подал заявку на патент в Великобритании. За изобретение вакуумного диода Флеминг был удостоен множества почестей и наград. В марте 1929 г. он был посвящен в рыцари за «неоценимый вклад в науку и промышленность».

Флеминг назвал свой прибор колебательной лампой, затем за ней закрепились название “диод”, подчеркивающее, что она содержит два электрода: катод, излучающий электроны, и анод, улавливающий электроны. Ламповый детектор стал успешно конкурировать с кристаллическим детектором. Конечно, он требовал дополнительного напряжения для накаливания катода, но отличался высокой надежностью и технологичностью – не требовал никакой настройки, в отличие от кристаллического детектора с его “чувствительной точкой”.

Развивающаяся радиосвязь нуждалась в устройстве, позволявшем усиливать принимаемый сигнал. Пока увеличение дальности действия радиостанций достигалось только увеличением мощности излучаемого сигнала, но этот путь имел свои ограничения. Первому пришло в голову управлять потоком электронов в электронной лампе американскому инженеру, изобретателю Ли де Форесту.

В 1906 де Форест добавил в диод Флеминга управляющий электрод – сетку. Конструктивно сетка представляла собой спираль с большим шагом, намотанную вокруг катода на небольшим расстоянии от него. Так как сетка располагалась в непосредственной близости к катоду, то потенциал ее относительно катода сильно влиял на облако электронов, излучаемых катодом.

При большом отрицательном потенциале сетки (рис. 49, а) между сеткой и катодом создается тормозящее поле для электронов и они не могут пройти через сетку к аноду. Лампа заперта, анодный ток равен ну-

а	б
Рис. 49

лю. При увеличении потенциала сетки тормозящее поле уменьшается, часть электронов проходит через сетку и устремляется к аноду под действием ускоряющего поля (рис. 49, б) и в анодной цепи протекает ток. Чем больше напряжение на сетке, тем больше будет анодный ток, вплоть до тока насыщения, при котором все электроны, эмитируемые катодом, достигают анода. На сетке электроны практически не осаждаются, так как большой промежуток между витками спирали обеспечивает практически беспрепятственное прохождение электронов через сетку.

Рис. 50

Ли де Форест 5 октября 1906 г. подал заявку на выдачу патента и 15 января 1907 г. получил патент США на «устройство для усиления слабых электрических токов». Правда, аудион, как де Форест назвал свой прибор (рис. 50), практически не усиливал и вначале применялся в качестве детектора. Однако лиха беда начало, и скоро триод стал на самом деле усилительным элементом. Сам де Форест использовал аудион в радиотелефонах, которые он делал для флота в 1908 – 1909 гг. К началу 1916 г. де Форест наконец усовершенствовал аудион до такой степени, что выполнил на нем генератор для радиотелефона.

Конечно, Ли де Форест был не одинок в своем изобретении. И может быть, известность аудиона в немалой степени связана с характером де Фореста. Он яростно боролся за свой авторитет, считал себя «отцом радио» и потратил миллионы долларов в судебных процессах, доказывая приоритет своих изобретений.

В 1906 г. австрийский изобретатель Роберт Либен запатентовал трехэлектродную вакуумную лампу, получившую название “трубки Либена”. В 1910 г. он выполнил на ней усилитель, а в 1913 г. на лампе Либена сотрудник берлинской компании “Telefunken” Александр Мейсснер сделал передатчик незатухающих колебаний.

В России первая трехэлектродная лампа была изготовлена в 1914 г. по проекту Н. Д. Папалекси (1912 г.). В 1910 – 1913 гг. над созданием электронных ламп работал В.И.Коваленков. Он разработал трехэлектродную лампу, двухсеточную лампу и образец генераторной лампы. Но они конструктивно не были доведены до завершения и требовали беспрерывной откачки воздуха.

Усилиями многих изобретателей, инженеров к концу 1920-х годов электронные лампы уже по-настоящему стали усилительными элементами.

Итак, первое противостояние полупроводников (кристаллический детектор был полупроводниковым элементом) и электровакуумных приборов закончилось победой последних. Главную роль в этом сыграло понимание процессов, происходящих в электронных лампах: в них существовал поток электронов и управление этим потоком легло в основу построения усилительных ламп. А процессы в полупроводниковом диоде были пока непонятными, и триумф полупроводников отсрочился на многие годы.

Появление электронных ламп привело к бурному развитию схемотехники. Электроника и радиотехника поддерживали и стимулировали друг друга. Расширяющаяся сфера распространения радиотехники ставила новые задачи перед создателями электронных приборов. А новые электровакуумные элементы и схемные решения подталкивали внедрение радиоэлектронных устройств в различные сферы человеческой деятельности. Воистину, 1920-е – 1940-е годы были “золотым веком” радиотехники. Кратко остановимся на некоторых изобретениях, сделанных в эпоху ламповой техники и оставивших заметный след в последующие годы.

Первую схему, обладающую очень большим усилением, изобрел в 1912 г. Эдвин Говард Армстронг, будучи еще студентом колледжа. Получить большое усиление от схемы, построенной на практически не усиливающем аудионе де Фореста, ему удалось за счет регенеративной (положительной) обратной связи, когда часть сигнала с выхода усилителя подавалась обратно на вход и складывалась с входным сигналом. Регенеративная схема нашла широчайшее применение в 1920-е годы как в радиосвязи (регенеративный приемник), так и в телефонной связи в качестве усилителей-ретрансляторов.

Регенеративный усилитель легко превращался в генератор непрерывных колебаний при увеличении коэффициента обратной связи. Поэтому генераторы появились в том же 1912 году. Но если приоритет изобретения регенеративного усилителя у Армстронга оспаривали только два человека: Ли де Форест и Александр Мейсснер, то создателей генераторов было гораздо больше. Кроме уже упомянутых Армстронга, Мейсснера и де Фореста были Р. Фессенден, Г. Дж. Раунд, Э. Колпиц и Р. В. Л. Хартли. Изобретение лампового генератора привело к революции в радиопередающей технике. Вместо громоздких массивных искровых, дуговых и электромашинных генераторов появились компактные, удобные в управлении параметрами генерируемого колебания устройства. Изобретение лампового генератора приблизило время появления радиовещания. Уже в 1920 г. в США заработала первая коммерческая радиовещательная станция.

Следующий знаменательный шаг в развитии радиоприемной техники был совершен в 1918 г. Во время первой мировой войны уже упомянутый Э. Г. Армстронг, будучи капитаном корпуса связи во Франции, разработал и собрал первый супергетеродинный приемник. В этом приемнике он ввел преобразование частоты, с помощью которого высокочастотный сигнал, который трудно было усилить, переводился в область более низкой, промежуточной частоты, где имелись средства для его усиления. Армстронг подал заявку на патент США из Парижа 30 декабря 1918 г. и получил патент 8 июня 1920 г. В этом же году он продал право пользования патентом главным корпорациям США, включая «RCA», и на радиобуме 1920-х годов стал миллионером. Сейчас по супергетеродинной схеме строятся практически все радиоприемные устройства независимо от того, где они используются – в радиовещании, телевидении, радиолокации или где-либо еще.

В 1919 году англичанами У. Г. Экклсом и Ф. У. Джорданом была изобретена еще одна замечательная схема – схема триггера. Триггер – это двухламповая схема с двумя устойчивыми состояниями каждой лампы: запертом и открытом. Зачем тогда понадобилась такая схема, трудно сказать, вероятно, для переключения каких-либо цепей, но значение ее для дальнейшего развития радиотехники и вычислительной техники невозможно переоценить. С этой схемы началась импульсная техника. А без импульсной техники не было бы ни телевидения, ни радиолокации. Триггер лежит в основе всех схем двоичной вычислительной техники, поэтому современная компьютерная техника своим рождением тоже обязана ему.

Первая система автоматического регулирования в радиотехнических устройствах появилась в 1926 г. Это была система автоматической регулировки громкости, которая позже стала называться системой автоматической регулировки усиления (АРУ). Она автоматически обеспечивала независимость громкости от мощности сигнала принимаемой радиостанции. Это было первое устройство, без которого можно было обойтись, но которое обеспечивало пользователю дополнительное удобство. Для системы АРУ стали разрабатываться специальные лампы с удлиненной сеточной характеристикой – “варимю”. Системой АРУ стали обеспечиваться все приемники АМ-сигналов.

Сотрудник фирмы “Bell Telephone Laboratories” Г. С. Блэк обнаружил в 1927 г., что отрицательная обратная связь в усилителе позволяет уменьшить искажения в широкой полосе частот и вместе с тем улучшить стабильность характеристик. В 1930 г. было объявлено о создании усилителя с отрицательной обратной связью. Однако до 1932 г. никто не заинтересовался таким усилителем, пока Гарри Найквист, сотрудник той же фирмы, не провел его анализ и показал достоинства этой схемы. Только после этого отрицательная обратная связь получила широкое признание. Кстати, критерий, предложенный Найквистом для определения устойчивости усилителей с обратной связью, нашел широкое применение для определения устойчивости систем автоматического регулирования.

В 1932 г. появилась схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Сначала она использовалась для синхронного детектирования АМ сигналов. Ценность и значение этой схемы возрастали по мере развития радиотехники. Способность этой системы поддерживать частоту подстраиваемого генератора равной частоте входного сигнала сделала ее незаменимой в устройствах демодуляции фазоманипулированных сигналов, в устройствах синхронизации в системах связи, в телевизионных системах.

В 1938 г. был изобретен операционный усилитель – усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. На операционном усилителе можно было реализовать разнообразные устройства обработки сигналов выбором элементов во входной цепи и цепи обратной связи. Интеграторы, построенные на операционных усилителях, широко использовались в 1950-е годы в аналоговых моделирующих установках или, как их тогда называли, аналоговых вычислительных машинах (АВМ). АВМ предназначались для решения нелинейных дифференциальных уравнений. В настоящее время операционный усилитель широко используется как элемент аналоговой схемотехники.

Конечно, не стояла на месте и ламповая техника. В конце 1920-х – начале 1930-х годов развитие электронных ламп происходило лавинообразно. За триодами появились многоэлектродные лампы. Первой (1927 г.) была разработана четырехэлектродная лампа – тетрод, идея которого была выдвинута еще в 1919 г. знаменитым электронщиком Вальтером Шоттки. В 1929 г. появился пентод, затем гептод (1932 г.), гексод (1933 г.) и пентагрид (1933 г.). В 1932 г. американский журнал Electronics привел перечень 300 различных типов радиоламп.

В одном баллоне стали собирать несколько ламп. Особенно популярным был двойной триод. В дальнейшем он оказался очень удобным для реализации цифровых устройств, так как на двойном триоде собирался триггер. Германская компания “Loewe” в 1926 г. разработала комбинированную электронную лампу Loewe 3NF, содержащую в себе почти все элементы приемника. В одном баллоне находились: 3 триода, 4 резистора и 2 конденсатора. Для создания радиоприемника к лампе нужно было подсоединить питание, громкоговоритель и антенну (рис. 51, а). Внешний вид радиоприемника приведен на рис. 51, б.

а	б
Рис. 51

Однако в начале 1960-х годов радиолампы постепенно начали терять популярность, и к концу 1960-х годов прекратилась разработка схем на радиолампах и самих радиоламп. Исключение составляли только специальные радиолампы для мощных передатчиков и для устройств сверхвысоких частот (СВЧ). На смену лампам пришли полупроводники.

Итак, со времени своего появления и до конца 1950-х годов электронная лампа позволяла решать все задачи, которые тогда ставились в радиотехнике. Поэтому любые идеи, предполагавшие поиск иных способов усиления и обработки сигналов, не вызывали большого интереса. Так, разработчики радиоаппаратуры остались равнодушными к появлению информации о полупроводниковых диодах с отрицательным сопротивлением, хотя возможность их применения для генерирования высокочастотных колебаний была открыта японскими учеными еще в 1908 – 1910 гг.

Ничего не знавший о работах японских ученых русский радиоинженер О. И. Лосев в 1922 г. открыл свойство кристаллического детектора генерировать сигналы и создал приемник, названный “кристадином”. Кристаллический детектор в этом приемнике выполнял функции регенеративного усилителя и детектора. Статья О. И. Лосева о детекторе-генераторе и детекторе-усилителе была опубликована в журнале “Телеграфия и телефония без проводов” в июне 1922 г. К сожалению, кристадин не вышел за рамки исследований.

Первый усилитель на полупроводниковых элементах был предложен в 1925 г. переехавшим в США профессором Лейпцигского университета Юлиусом Лилиенфельдом, но в то время не было ни хороших полупроводниковых материалов, ни технологии изготовления полупроводниковых приборов. Почти не замеченной прошла идея плоскостного полевого транзистора, высказанная в 1935 г. немецким исследователем Оскаром Хейлем. В то время проблемы полупроводниковой электроники не интересовали предпринимателей;их усилия направлялись на дальнейшее совершенствование электронных ламп и расширение их производства.

Но постепенно формировалось понимание процессов, происходящих в полупроводниках. Этому способствовали как теоретические исследования в области квантовой физики, так и работы специалистов в области электроники. В. Шоттки в 1929 г. предсказал существование “дырок” в электронной структуре полупроводника. В 1938 г. он же разработал теорию, объясняющую выпрямительные свойства контактов металл – полупроводник. В том же году в Германии Р. Поль, молодой физик, опробовал полупроводниковый усилительный элемент типа полевого транзистора. А в 1939 г. американец В. Б. Шокли предложил прообраз полевого транзистора, в котором использовались проводники, вставленные в оксид меди. Таким образом, к 1940-м годам создались условия для появления нового усилительного элемента – полупроводникового.

Повышению интереса к полупроводникам способствовало также широкое применение полупроводникового диода в качестве смесителя в радиолокационных станциях.

И в декабре 1947 г. появился первый полупроводниковый усилительный прибор. Изобретатели, сотрудники компании “Bell Telephone Laboratories” Уолтер Х. Брэттен и Джон Бардин и руководитель работ Вильям Б. Шокли по предложению Джона Пирса назвали его транзистором. В полупроводниковом усилителе усиление обеспечивается благодаря его переходному сопротивлению (transresistance) Поэтому слово «транзистор» возникло от сокращения двух английских слов: «transfer» – перемещать, переносить и «resistor» – резистор, сопротивление. Первый транзистор был точечным (патент на него получили У. Х. Брэттен и Дж. Бардин).

Создание первого транзистора проходило отнюдь не гладко. Руководителем работ был В. Б. Шокли и он пытался реализовать свою идею получения усиления изменением проводимости тонкого слоя полупроводника внешним электрическим полем (по аналогии с электронной лампой). Два года работы (с1945 по 1947 гг.) не дали никаких результатов. Джон Бардин (физик-теоретик) предложил использовать игольчатые электроды, но и это ничего не дало – эффект усиления не наблюдался. Однажды уставший от безрезультатных экспериментов Брэттен чуть не закоротил управляющий игольчатый электрод с другим (которым задавался ток через образец), да еще и перепутал полярность приложенного напряжения, и …свершилось чудо – усилитель получился. После небольшой доработки был создан лабораторный макет первого транзистора, который и продемонстрировали узкому кругу специалистов 16 декабря 1947 г. Бардин выдвинул гипотезу о принципе действия устройства – инжекция зарядов одним электродом (эмиттером) и их собирание другим электродом (коллектором), которая явилась неожиданностью для всех, но впоследствии подтвердилась.

Рис. 52

Конструкция первого лабораторного транзистора показана на рис. 52. Усилительный элемент образован в месте точечного электрического контакта маленького кусочка германия, закрепленного на металлическом основании-подложке, с двумя электродами, разнесенными на расстояние не более 50 мкм. Электроды выполнены из золотой фольги, приклеенной к пластмассовому треугольнику, тончайшим надрезом ее. Треугольник прижимается к кусочку кремния пружиной.

Изобретение точечного транзистора сохранялось в тайне, пока транзистор не был усовершенствован. Не оформлялась и заявка на патент. Первое публичное объявление прозвучало 30 июня 1948 г. в нью-йоркском офисе “Bell Labs”. Отношение технической общественности к этому изобретению можно оценить по информации в прессе. На следующий день 1 июля 1948 г. газета “Нью-Йорк Таймс” в колонке “Новости радио” поместила заметку: “Вчера фирма “Bell Telephone Laboratories” впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием “транзистор”, который в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп.”

Открытие Брэттена и Бардина подстегнуло Шокли к интенсификации работы над плоскостным транзистором, и в 1948 г. структура плоскостного транзистора была им разработана: между двумя областями полупроводника р-типа помещался управляющий слой п-типа. Но создать практически работоспособный плоскостной транзистор оказалось гораздо труднее, чем точечный. Впервые это удалось только в 1951 г., когда была разработана технология выращивания кристаллов. В 1950 г. была опубликована монография В. Б. Шокли «Электроны и дырки в полупроводниках», в которой он провел всесторонний анализ электронно-дырочной проводимости полупроводников.

За изобретение транзистора Шокли, Брэттен и Бардин были удостоены Нобелевской премии в области физики в 1956 г. (с формулировкой: за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта).

Работы по изучению проводимости и выпрямительных свойств полупроводников велись также в Англии, Германии и СССР, но в этих странах к созданию действующих экземпляров транзисторов пришли позже.

В СССР транзисторный эффект впервые наблюдали в 1949 г., а первые промышленные образцы точечных транзисторов типа С1 и С2 были разработаны в 1952 г. под руководством А. В. Красилова. Первый плоскостной транзистор был создан в 1952 г. в НИИ-108, а в 1953 г. в ЦНИИ-35 были изготовлены плоскостные германиевые транзисторы П1, П2 и П3.

В октябре 1951 г. компания “Bell Labs” начала коммерческое изготовление транзисторов. В конце 1951 г. 26 компаний США и других стран приобрели у “Bell Labs” лицензии на их производство. Однако вначале внедрение транзисторов в радиопромышленность шло трудно. Первым коммерческим устройством, построенном на транзисторах, был слуховой аппарат (1952 г.).

В 1954 г. произошло знаменательное событие в мире полупроводниковой электроники. Компания “Texas Instruments” объявила о создании кремниевого транзистора. С началом производства кремниевых транзисторов “TI” сразу же заняла лидирующее положение на рынке полупроводников. Кремниевые транзисторы обеспечивали большую выходную мощность, выделяли меньше тепла и работали при температуре до 150 град. В дальнейшем кремний практически повсеместно вытеснил другие полупроводниковые материалы.

Первый в мире портативный приемник на транзисторах “Regency TR-1” был произведен в США в 1954 г. Но компания-производитель не смогла обеспечить сбыт своей продукции и исчезла с рынка. Эстафету приняла японская компания “Sony”, которая в 1955 г. выпустила на японский рынок приемник TR-55, а с 1957 г. стала поставлять свои приемники и на американский рынок. В СССР массовое производство малогабаритного приемника “Минск-Т” на транзисторах началось в 1956 г.

Наконец-то в транзисторах увидели серьезного конкурента радиолампам. Мало того, что они были намного меньше лампы. Они были надежны, долговечны, выделяли меньше тепла, потребляли меньше энергии.

С радиоприемников началась транзисторизация всей радиоэлектронной аппаратуры. Для начального этапа (50-е годы) была характерна замена электронных ламп транзисторами с сохранением без коренных изменений прежней схемотехнической основы, то есть перевод ламповых схем на транзисторные. Хотя это было и не так просто, потому что лампы управлялись напряжением, а транзисторы – током. В дальнейшем (начиная с 1960-х годов) транзисторная схемотехника начинает приобретать свое лицо, связанное с использованием транзисторов разного типа проводимости, снятием ограничения на количество усилительных элементов и приближением к интегральной полупроводниковой электронике. Если в начале 60-х годов приемник, содержавший 30 – 40 транзисторов, представлялся весьма сложным, то для приемной аппаратуры, разрабатывавшейся в конце 60-х годов, уже стали типичными конструкции с интегральными модулями, содержавшие сотни транзисторов и полупроводниковых диодов.

Точечные транзисторы продержались в промышленности около десяти лет и уступили свое место плоскостным как более надежным и технологичным. Плоскостной транзистор содержал два противоположно включенных р-п-перехода. Через слой, соединяющий оба перехода (базу), могли проходить оба типа носителей заряда – и электроны и дырки, поэтому такой транзистор стали называть биполярным.

Расширению схемотехнических возможностей способствовало появление полевого транзистора. В 1958 г. Станислав Тешнер, польский ученый, работавший на дочернем предприятии фирмы “General Electric Co” во Франции, создал первый полевой транзистор с р-п-переходом. Полевой транзистор строился по структуре: металл – окисел – полупроводник (МОП-структура).

В основе работы полупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в р-п-переходах. Р-п-переход образовывается на границе между полупроводниками разного типа проводимости: электронного (п-типа) и дырочного (р-типа). Первоначально он создавался в кристаллической структуре чистого полупроводника (германия или кремния) добавлением примесей химических элементов, обеспечивающих избыток электронов (доноры) или недостаток электронов – избыток дырок (акцепторы). Например, для кремния в качестве доноров используются обычно элементы пятой группы: фосфор, сурьма, мышьяк, а в качестве акцепторов – элементы третьей группы: бор, галлий, алюминий. В начале 1960-х годов шел поиск полупроводниковых материалов, в которых р-п-переход создавался бы не примесями к базовому материалу, а самими материалами. Такой р-п-переход назвали гетеропереходом (гетеро – происходит от греческого слова, которое переводится как разный). Вся сложность создания гетероперехода была в том, что разные по химическому составу полупроводники должны иметь одинаковую кристаллическую решетку.

К 1967 г. у специалистов создалось мнение, выраженное в научных публикациях и выступлениях на конференциях, что создание гетероперехода невозможно. Но в этом же 1967 г. сотрудники Ленинградского физико-технического института (ЛФТИ) во главе с Ж. И. Алферовым создали в системе GaAs-AlAs (арсенид галлия – арсенид алюминия) гетеропереход, близкий по своим свойствам к идеальному, а затем и первый полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Жорес Иванович Алферов (15.03.1930)

Жорес Алферов родился в Витебске. Его отец, участник Октябрьской революции и командир кавалерийского полка во время гражданской войны, назвал своих двух сыновей Марксом и Жоресом в честь основоположника марксизма Карла Маркса и героя французской революции Жана Жореса. Старший сын Маркс погиб во время Великой Отечественной войны, а младший прославил свою страну, став Нобелевским лауреатом. В 1935 г. семья переехала на Урал по месту работы отца – он был одним из создателей и руководителей целлюлозно-бумажной промышленности. После войны семья вернулась в Белоруссию, в Минск, где в 1947 г. Жорес Алферов окончил школу с золотой медалью. В 1952 г. он с отличием окончил Ленинградский электротехнический институт и с 1953 г. стал работать в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе (ФТИ) Академии наук СССР. Он был направлен в лабораторию В.М.Тучкевича, перед которой была поставлена задача получения монокристаллов чистого германия и создания на его основе плоскостных диодов и триодов.

В 1954 г. Тучкевичем и Алферовым были созданы первые отечественные силовые германиевые приборы, быстро нашедшие широкое применение в промышленности и на транспорте. В 1959 г. он получил первую правительственную награду и защитил кандидатскую диссертацию. Молодой ученый стоял перед выбором направления дальнейших исследований. И он сделал выбор: в начале 60-х Алферов с небольшой группой единомышленников занялся проблемой гетеропереходов. Первый успех пришел в 1967 г. Но использованный в гетеропаре арсенид алюминия почти мгновенно окислялся на воздухе. Замена ему вскоре была найдена – твердый раствор AlGaAs. Так определилась широко известная теперь в мире гетеропара GaAs/ AlGaAs.

Исследование гетеропереходов было содержанием докторской диссертации Ж. И. Алферова, которую он защитил в 1970 г. Фундаментальные исследования Алферова привели к созданию эффективных полупроводниковых приборов, связанных с генерированием и преобразованием электромагнитных колебаний оптического диапазона: лазеров, светодиодов, фотоприемников, преобразователей солнечной энергии. Промышленностью было освоено производство силовых диодов, транзисторов и тиристоров на гетероструктурах.

В 1987 г. Ж. И. Алферов становится директором ФТИ и создает Центр физики наногетероструктур ФТИ. Начиная с 1993 г. одним из основных направлений работы Центра становится получение и исследование свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек. В 1993 – 1994 годах впервые в мире реализуются гетеролазеры на основе структур с квантовыми точками – “искусственными атомами”.

Ж. И. Алферов продолжил традиции ФТИ по работе со студентами и школьниками. В1999 г., во времена всеобщей нехватки средств было построено здание Научно-образовательного центра для школьников и студентов при ФТИ. В нем расположились физико-техническая школа, кафедра оптоэлектроники ЛЭТИ и Физико-технический факультет Ленинградского политехнического института.

Заслуги Ж. И. Алферова оценены как на родине, так и за рубежом. Первой международной наградой была полученная в 1971 г. медаль Баллантайна Франклиновского института США (называемая малой Нобелевской премией), учрежденная для награждения за лучшие работы в области физики. Затем следуют самая высокая награда СССР – Ленинская премия (1972 г.), Хьюллет-Паккардовская премия Европейского физического общества (1978 г.), Государственная премия СССР (1984 г.) и множество других отечественных и зарубежных премий и наград. Высшей оценкой явилось присуждение Нобелевской премии в 2000 г.

Ж. И. Алферов – академик АН СССР (с 1979 г.), член и профессор академий, обществ и университетов других стран, депутат Государственной Думы Федерального собрания РФ (с 1995 г.)

Параллельно с Ж. И. Алферовым в США занимался исследованием гетеропереходов физик Герберт Кремер. Между ними проходило негласное научное соревнование. В США первый лазер на гетеропереходе был реализован в 1968 г.

Считают, что современная полупроводниковая техника держится на трех китах:

- на классической кремниевой технологии,

- технологии полупроводниковых гетероструктур,

- квантовых полупроводниковых приборах.

В 1950-е годы в технологии радиоаппаратуры наметилась тенденция к использованию “этажерочных” микромодулей. Такой микромодуль составлялся из расположенных друг над другом тонких керамических печатных плат одинаковых размеров (примерно 1×1 см) с размещенными на них навесными элементами. Для соединения плат между собой создавались металлизированные выемки по их торцам. После электрического соединения плат вся конструкция заливалась компаундом и становилась единым функциональным элементом. “Этажерочные” микромодули стали прародителями интегральных микромодулей.

Первыми появились гибридные интегральные микромодули, в которых использовались бескорпусные транзисторы и навесные элементы, соединенные печатным монтажом. Гибридные интегральные схемы имели ограничение по количеству располагаемых на них сосредоточенных элементов. При большом количестве возникала непреодолимая проблема, которую назвали “тиранией соединений” – невозможно было соединить эти элементы на малой площади.

Именно размышление над “тиранией соединений” привело отца микросхемотехники, инженера компании “Texas Instruments” Джека Килби к созданию монолитных микросхем. Дж. Килби пришел к выводу, что сложные схемы можно реализовать в малом объеме, если пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) делать из того же материала, что и активные (транзисторы). Он писал: “Я понял, что если все компоненты сделаны из одного материала, то они могут сразу же и соединяться между собой, чтобы формировать законченную схему”.

Следует заметить, что концепция интегральных схем была высказана еще в 1952 г. сотрудником Британского королевского радиолокационного управления Джеффри Даммером на конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне. В докладе о надежности элементов радиолокационной аппаратуры он высказал пророческую мысль: “С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов. Он может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определенные участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции.”

Рис. 53

Первый рабочий образец монолитной интегральной схемы (рис. 53) – один транзистор и несколько пассивных компонентов в кусочке кремния – был представлен Джеком Килби 12 сентября 1958 г. Представители руководства компании увидели наклеенный на стеклянную пластинку кусочек кремния с торчащими проводками. И это сооружение работало… За разработку микросхемы Дж. Килби получил Нобелевскую премию в 2000 году (вместе с Ж. Алферовым).

Промышленность, как уже не раз бывало, отреагировала на новый элемент электронной техники скептически. Только ВВС США проявили некоторую заинтересованность. Коммерческое производство интегральных схем (микросхем), выполняющих элементарные логические функции, началось с 1959 года. Первым изделием, в котором использовались микросхемы, был компьютер для ВВС (1961 г.). Повышению интереса к микросхемам способствовало изготовление Джеком Килби микросхемы для карманного калькулятора.

Независимо от Дж. Килби и практически одновременно с ним получил патент на интегральную схему работник компании “Fairchild Semiconductor” Р. Нойс. В 1968 г. Роберт Нойс и Гордон Мур основали корпорацию “Intel” (Integrated Electronics), поставившую перед собой задачу разработки и производства микросхем. С именем Г.Мура связан известный среди всех электронщиков закон – закон Мура, который был им сформулирован в 1965 г. Он гласит: количество транзисторов в одном кристалле удваивается через каждые два года (первоначально этот срок составлял один год, но спустя 10 лет был скорректирован). Этот закон до сих пор не был нарушен. Закон Мура подтверждается результатами деятельности компании “Intel”, показанными в нижеприведенной таблице.

В Советском Союзе работы по созданию микросхем на германии проводились в 1959 – 1962 гг. Малиным Б.В. в НИИ-35. В то время в электронной промышленности действовала концепция повторения и копирования американского технологического опыта – методы так называемой “обратной инженерии”. Эта концепция жестко реализовывалась тогдашним министром электронной промышленности Шокиным Александром Ивановичем. Можно, конечно, осуждать министра, но кто будет осуждать спортсмена-бегуна, который, чтобы остаться в лидирующей группе, “приклеивается” к лидеру, не отставая от него ни на шаг. Производство первых интегральных схем в СССР началось в 1967 г.

Шокин сумел доказать руководству СССР необходимость принятия срочных мер по развитию микроэлектроники. 8 августа 1962 г. было подписано Постановление Центрального Комитета КПСС и Совета Министров СССР о создании Научного центра микроэлектроники в подмосковном городе Крюкове. В состав Центра должны войти пять НИИ и три опытных завода при них. Реализация этого Постановления была более масштабной благодаря усилиям Шокина А.И. Возник город Зеленоград, ставший впоследствии районом Москвы и явившийся в некотором отношении аналогом американской Кремниевой долины. За 1962 – 1965 годы были организованы шесть НИИ с опытными заводами при них и Центральное бюро применения интегральных схем. Для подготовки кадров был образован вуз – Московский институт электронной техники с собственным опытным заводом (1965 г.). Параллельно с развитием Научного центра в Зеленограде было налажено производство полупроводниковых приборов и интегральных схем во многих городах страны. В результате страна стала иметь собственную современную электронную базу. По свидетельству американской прессы отставание уровня развития советской электроники от американской к концу 1970-х гг. составляло 2 – 3 года

В 70-х годах прошлого века началось победное шествие микросхем в электронике. Микросхемы фактически создали современную компьютерную индустрию, «уменьшив» вчерашние электронные вычислительные машины размером с большую комнату до настольных персональных компьютеров. Развитие микроэлектроники привело к тому, что основной узел компьютера можно было реализовать на крошечном кристалле кремния размером меньше ногтя.

Появление микропроцессора, как следствие миниатюризации электроники, было абсолютно закономерным. Хотя во времени и месте его появления есть доля случайности. В августе 1969 г. фирма “Intel” получила заказ от японской фирмы “Busicom Corp.” на проектирование набора микросхем для построения семейства калькуляторов с некоторыми возможностями программирования. Фирма “Intel” подошла к этому заказу творчески и предложила реализовать калькулятор как универсальный компьютер, программируемый для работы в качестве калькулятора с различными возможностями. В результате фирма “Intel” выполнила заказ и в июне 1971 г. анонсировала микропроцессорное семейство 4004 с 4-разрядным микропроцессором. Фирма считала, что найдется рынок сбыта для компьютеров как компонентов, и не ошиблась в своих ожиданиях. В начале 1972 г. появился и 8-разрядный микропроцессор 8008. Вскоре в соответствии с законом Мура были созданы и микропроцессоры 16- и 32-разрядные.

Появление устройства, обладающего универсальными возможностями обработки процессов, и неуклонное удешевление его вызвали у разработчиков разнообразной аппаратуры стремление использовать микропроцессор в качестве электронного элемента. Микропроцессор занял подобающее место в устройствах управления (под названием микроконтроллер), в устройствах обработки сигналов (сигнальный процессор) и данных.

И сейчас можно обнаружить множество этих устройств в самом разнообразном бытовом оборудовании – телевизоре, сотовом телефоне, видеомагнитофоне, DVD-плеере, в детских игрушках. Легче сказать, где их нет. По оценкам компании “Semico Research”, к 2010 году в США каждый человек ежедневно будет иметь дело с 350 микроконтроллерами, установленными в домашнем и офисном оборудовании, автомобильных системах, а также в устройствах личного пользования.

Еще одним замечательным порождением микроэлектроники явились программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), которые составили конкуренцию микропроцессорам как элементам радиоаппаратуры.

Любая цифровая схема состоит из логических элементов: И, ИЛИ и НЕ. Первые цифровые интегральные схемы содержали наборы таких элементов, соединенных между собой, например 2И-НЕ, 4 ИЛИ-НЕ, JK-триггер, мультиплексор и т.д. Возник вопрос, а не лучше ли создать микросхему, содержащую набор логических элементов, а соединение между ними осуществить программным путем? Тогда вместо множества различных функциональных микросхем можно обойтись одной, но программируемой.

Первую такую микросхему – программируемую логическую матрицу – выпустила фирма “Signetics” в 1972 г. Затем появились программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) Развитие ПЛИС происходило как в сторону увеличения количества логических элементов, размещаемых на одной подложке, так и в сторону совершенствования программного управления. Сегодня логическая емкость ПЛИС с флэш-памятью превышает 1 млн вентилей.

Крупнейшими производителями ПЛИС являются фирмы “Altera” и “Xilinx”, образовавшиеся в начале 1980-х годов. Рынок ПЛИС динамично расширяется. Большая логическая емкость ПЛИС позволяет реализовать на них сложные устройства обработки сигналов, по быстродействию превосходящие аналогичные устройства, построенные на микропроцессорах. И что важно, разработчик аппаратуры может очень быстро задать требуемую конфигурацию микросхемы ПЛИС для выполнения нужных функций.

Микроэлектроника в своем развитии породила электронные устройства, потеснившие традиционную схемотехнику. В 1970 г. американские физики У. С. Бойл и Дж. Э. Смит создали полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС можно представить в виде совокупности “ячеек”, сохраняющих электрический заряд, – своеобразных конденсаторов, снабженной устройством переноса заряда.

В первой ПЗС было всего семь ячеек, а в современных – миллионы. На ПЗС можно было реализовать запоминающие устройства, устройства обработки аналоговых сигналов – в первую очередь фильтры и линии задержки – и устройства преобразования изображения в электрический сигнал. Последняя сфера применения оказалась наиболее востребованной. Появление фоточувствительных ПЗС (ФПЗС) произвело техническую революцию в телевидении. Они заменили громоздкие вакуумные электронно-лучевые трубки, требующие к тому же высоковольтного питания.

Применение ФПЗС в телевидении началось в 1990-х годах с малокадровых охранных систем, в которых телевизионная камера строилась на линейке ПЗС, позволяющей сформировать только одну строку разложения изображения. Высокая эффективность, низкая стоимость, да еще и низковольтное питание обеспечили быстрое внедрение ФПЗС во все сферы, где требуется преобразование изображения в электрический сигнал: в цифровой видео- и фотоаппаратуре, в сотовых телефонах и пр.

Современные фотоприемные устройства имеют до 2000×2000 элементов разложения и могут работать в диапазоне длин волн от 50 до 14000 нм. Арсенид-галлиевые ПЗС работают при частоте тактовых импульсов до 500 мГц. Фоточувствительные ПЗС относятся к устройствам оптоэлектроники.

Термин “оптоэлектроника” появился, когда была создана оптопара – полупроводниковый прибор, содержащий в одном корпусе излучатель света и фотоприемник (Е.Лебнер, 1955). На оптопары (оптроны) первоначально возлагались неоправданно большие надежды как на устройства обработки информации, но с течением времени они заняли свое место в качестве элементов гальванической развязки.

Современное понимание оптоэлектроники значительно более широкое. Она представляет собой раздел электроники, в котором изучаются и используются эффекты и явления взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона (0,5 – 20,0 мкм) с электрическими сигналами в твердом теле. Оптоэлектронные устройства используются для генерирования электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне, передачи, приема и отображения информации.

Теоретическое обоснование способности вещества излучать фотоны при некоторых специальных способах возбуждения электронов было дано А. Эйнштейном еще в 1916 г. Но первые генераторы в оптическом диапазоне (лазеры) появились только в 1960 г. (Т. Мейман). Для целей оптоэлектроники наиболее привлекательны полупроводниковые лазеры – миниатюрные, эффективные, электрически и технологически совместимые с микросхемами. Эту нишу заняли лазеры на основе гетеропереходов (Ж. И. Алферов, 1967).

Наряду с гетеролазерами к важнейшим оптоэлектронным излучателям относятся полупроводниковые светодиоды – источники некогерентного (спонтанного) излучения. Обнаружение свечения карбид-кремниевых детекторов радиоволн (О.В.Лосев, 1927) привело в дальнейшем к пониманию эффекта инжекционной люминесценции – возникновению излучения при протекании прямого тока через p-n переход. Первоначально она была обнаружена в ИК-диапазоне у GaAs-диодов (1955), а вскоре (1962 – 1964) и в видимой части спектра у Ga-P и Gа-AsP-диодов.

Вторую важнейшую группу оптоэлектронных приборов составляют фотоприемники, предназначенные для преобразования световых волн в электрические сигналы. На смену вакуумным фотоэлементам, созданным на рубеже ХХ века, появились сначала полупроводниковые фоторезисторы (1917), а затем полупроводниковые фотодиоды (1948) – высокочувствительные быстродействующие счетчики фотонов. И в 1990-х годах, как мы уже говорили, стали широко использоваться ФПЗС.

Важнейшим достижением оптоэлектроники являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).Они основаны на использовании эффекта полного внутреннего отражения и, как следствие этого, – возможности распространения световых потоков по криволинейной траектории (Дж.Тиндаль, 1870). Первые световоды – двухслойные стеклянные волокна – были разработаны в 1950 г. Технологические успехи в повышении прозрачности таких волокон позволили выдвинуть идею протяженной волоконно-оптической связи (М.Као, 1966) и начать ее практическую реализацию (1970). Первый в нашей стране участок волоконно-оптической связи был введен в эксплуатацию в 1987 г. в Зеленограде.

В области отображения видеоинформации электронно-лучевые приборы фактически уступили место плазменным и жидкокристаллическим индикаторам. Представление о четвертом агрегатном состоянии вещества – плазме – возникло при изучении закономерностей газового разряда (У.Крукс, 1879). Первые плазменные (газоразрядные) индикаторы (“трубки Nixi”) cозданы в 1954 г., многоэлементные плазменные панели – в конце 60-х годов.

Жидкие кристаллы (ЖК), открытые в ходе биологических исследований (1888), нашли широкое применение в оптоэлектронной индикаторной технике в начале 1970-х годов благодаря возможности управления прозрачностью и цветом ЖК с помощью очень слабых электрических воздействий.

Акустоэлектроника – область физики твердого тела, изучающая и использующая процессы и явления, связанные с возбуждением, распространением и взаимодействием высокочастотных звуковых волн с электронами в твердых телах.

Впервые возможность усиления звуковой волны в пьезополупроводниковом кристалле за счет энергии потока электронов, движущихся со скоростью, превышающей фазовую скорость звуковой волны, была показана А.Р.Хатсоном, Дж. Мак-Фи и Д.Л. Уайтом (США) в 1961 г.

Сначала пытались создать устройства для усиления электрических колебаний путем преобразования электрического сигнала в звуковую волну, усиления звуковой волны в кристалле, а затем обратного преобразования усиленной звуковой волны в электрический сигнал, однако позже главным направлением стала разработка высокочастотных фильтров и устройств задержки с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ). В 1964 г. сотрудники Института радиоэлектроники (ИРЭ) АН СССР Ю. В. Гуляев и В. И. Пустовойт впервые предсказали явление взаимодействия поверхностных акустических волн и электронов в твердом теле. В 1968 г. в ИРЭ АН СССР и независимо в США был открыт новый тип поверхностных волн, названный волнами Гуляева – Блюкштейна по имени авторов открытия.

В течение 1965 – 1991 гг. была разработана теория распространения ПАВ в слоистых твердотельных структурах пьезодиэлектрик – полупроводник.

Эти работы позволили создать малогабаритные легкие устройства обработки радиосигналов: помимо уже упомянутых высокочастотных полосовых фильтров и линий задержки, устройства частотно-временной селекции, сжатия частотно-модулированных сигналов, адаптивной фильтрации.