07_04.pdf

Dawnych wspomnień czar

Wynalazek tranzystora

z pewnością zapoczątkował nową

erę w elektronice. Z początkiem lat

60−tych tranzystory były już

powszechnie stosowane w wielu

urządzeniach codziennego użytku

i w przemyśle. Szybko

rozpowszechniły się także

przenośne radioodbiorniki

tranzystorowe.

Wraz z ogromnym wzrostem

produkcji tranzystorów ich ceny

spadły do poziomu przysłowiowych

paru groszy za sztukę. Szybko

odebrały lampom elektronowym

dotychczasową przewagę

i zepchnęły je do zastosowań

wyspecjalizowanych, zajmowanych

przez kineskopy telewizyjne, lampy

oscylograficzne, magnetrony,

zwieraki nadawanie−odbiór, klistrony

do radarów i nadajniki dużej mocy.

Historia

elektroniki

część 7

Zastosowania militarne

Jedną z głównych sił napędzających

rozwój układów scalonych była potrzeba

doskonalenia urządzeń wojskowych.

Druga wojna światowa wykazała wysoką

skuteczność militarnych systemów elekt−

ronicznych. Radar odnosił niezwykłe

sukcesy, a urządzenia elektroniczne

znalazły zastosowanie w wielu nowych

dziedzinach techniki wojennej.

W miarę jak sprzęt elektroniczny sta−

wał się coraz bardziej złożony i skompli−

kowany, mnożyły się trudności, a jego fi−

zyczne rozmiary rosły. Było to szczegól−

nie niekorzystne w zastosowaniach lot−

niczych, dla których rozmiary i waga,

wobec ograniczonej nośności samolo−

tów, miały decydujące znaczenie.

Drugą poważną wadą coraz bardziej

złożonych urządzeń elektronicznych by−

ła ich malejąca niezawodność. Docho−

dziło do tego, że czas potrzebny na ich

konserwację przewyższał czas eksploa−

tacji. Dotyczyło to szczególnie kompute−

rów lampowych.

Przy pomocy nowych technik kon−

strukcyjnych niektóre z tych trudności

udawało się ograniczać, ale nie elimino−

wać. Miniaturyzacja lamp elektronowych

oraz technika obwodów drukowanych

pozwoliły zmniejszyć wymiary urządzeń

i poprawić ich niezawodność. Jednak

rozmiary były ciągle zbyt duże, a nieza−

wodność niezadowalająca.

W roku 1948 w Związku Radziec−

kim dokonano pierwszej eksplozji jądro−

wej. W połączeniu z rozwijającą się

szybko techniką rakietową oznaczało to

wielkie zagrożenie dla USA, realną moż−

liwość radzieckiego ataku atomowego.

Przy ówczesnym stanie techniki atak da−

wało się wykryć, gdy na obronę już było

za późno. Potrzeba nowych metod wy−

krywania zagrożenia stała się więc nag−

ląca. Metody takie wymagały bardzo zło−

żonych systemów elektronicznych.

Tinkertoy

Zagrożenie bezpieczeństwa narodo−

wego było jednym z powodów podjęcia

przez rząd Stanów Zjednoczonych

w roku 1951 projektu pod kryptonimem

“Tinkertoy”. W ramach tego przedsię−

wzięcia przystąpiono do rozwiązywania

problemu rozmiarów i niezawodności

sprzętu elektronicznego. Przebadano

szereg rozwiązań, z których niejedno

jest w użyciu do dzisiaj. Powstała wów−

czas technologia dwustronnych, a na−

wet wielowarstwowych, płytek drukowa−

nych wraz z techniką wykonywania

w nich metalizowanych otworów. Włą−

czenie tranzystorów do tej technologii

mogło wydawać się oczywiste, ale tran−

zystor był wtedy produktem zupełnie no−

wym i zawodnym.

Rodziły się wówczas nowe opracowa−

nia i pomysły. W Anglii dr G. Drum−

mer z Royal Radar Establishment rzucił

pomysł konstruowania układów półprze−

wodnikowych w jednolitych blokach

i wyeliminowania łączących je zewnętr−

znych przewodów. Była to idea naów−

Kolekcja pierwszych tranzystorów germanowych.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

awnych wspomnień czar

Dawnych wspomnień czar

czas przedwczesna, niemniej zadziwia−

jąco dokładnie przepowiadała kierunek

rozwoju układów scalonych.

W rok później, w maju 1953, H. John−

son z Radio Corporation of America

(RCA) zgłosił pierwszy patent na układ

scalony. Zaproponował umieszczenie

wszystkich składników oscylatora na

jednej płytce krzemu. Sprecyzował on

sposób wykonania wszystkich elemen−

tów, ale że pierwszy tranzystor złączowy

p−n dopiero co powstał, nie było więc

jeszcze technologii umożliwiającej wpro−

wadzenie nowego rozwiązania w życie.

Miniaturyzacja

W roku 1957 tranzystory zaczęły się

rozpowszechniać, a zakres ich zasto−

sowań rósł szybko. Zaczęły przenikać

nawet do sprzętu wojskowego, w któ−

rym tradycyjnie używano wypróbowa−

nych i sprawdzonych technologii. Za−

uważmy z dumą, że w Polsce seryjną

produkcję tranzystorów rozpoczęto już

w 1958 roku w nowo powstałej fabryce

półprzewodników “Tewa” w Warszawie.

Szybko stało się oczywiste, że zasto−

sowanie tranzystorów może przynieść

istotną poprawę niezawodności urzą−

dzeń i wydatnie zmniejszyć ich wymia−

ry. Projekt Tinkertoy został więc uzupeł−

niony o technologie półprzewodnikowe.

Prace te zostały rozdzielone pomiędzy

różne równolegle działające przedsię−

biorstwa. Jednym z nich była firma Te−

xas Instruments, która wyprodukowała

pierwszy tranzystor krzemowy i jeden

z pierwszych tranzystorów polowych.

W rok po uruchomieniu projektu Tinker−

toy w Texas Instruments rozpoczął pra−

cę bardzo zdolny młody inżynier, Jack

Kilby. Już na początku, pracując na

własną rękę w czasie corocznej prze−

rwy wakacyjnej, dokonał dużego postę−

pu. Zaczął od wykonania kilku oscylato−

rów na jednej płytce germanowej. Układ

był prosty, ale nadawał się do sprawdza−

nia wykonalności technologii. Kilby przy−

gotował następnie oscylator na płytce

krzemowej i 12 września 1958 roku je−

go układ zaczął działać. Na rysunku

przedstawiono szczegóły pierwszego

układu scalonego Kilby’ego. Następnym

krokiem było wykonanie partii tych ukła−

dów dla sprawdzenia powtarzalności

procesu. To także się powiodło i uzysk

okazał się duży.

Ponieważ rząd USA podpisał szereg

zbliżonych kontraktów z pewną liczbą

firm, nie było dziwne, że ich wyniki pro−

wadziły do podobnych konkluzji. Zatrud−

niony w Fairchild Robert Noyce doszedł

do wniosku, że nie jest mądre produko−

wanie większej liczby tranzystorów na

jednej płytce, aby ją potem pociąć na in−

dywidualne tranzystory, łączone następ−

nie ze sobą w układach. Zespół kiero−

Pierwszy układ scalony Kilby’ego.

W latach 60−tych większość prac by−

ła zatem nakierowana na podwyższenie

uzysku. Postęp dokonywał się przeważ−

nie w USA dzięki wielkości środków fi−

nansowych przeznaczonych na badania

kosmiczne. Jednakże w innych krajach

prace także posuwały się naprzód,

zwłaszcza w Europie.

W Japonii, która szybko stawała się

światową potęgą ekonomiczną, wcześ−

nie doceniono znaczenie technologii pół−

przewodnikowej. W większości dzie−

dzin badawczych, od produkcji pierw−

szych tranzystorów do technologii ukła−

dów scalonych, kraj ten był opóźniony

jedynie o dwa lata w stosunku do

USA. Pierwsze japońskie układy scalo−

ne, produkcji Nippon Electric Company

(NEC), ukazały się na rynku w 1965.

Pięciu największych japońskich produ−

centów układów scalonych w roku 1975

zawarło wraz z rządem porozumienie

o współpracy badawczej. Przyniosło

ono ogromne zyski, doprowadzając nie−

które z tych przedsiębiorstw na czoło

listy największych producentów układów

scalonych.

Nowe technologie

Początkowo we wszystkich technolo−

giach układów scalonych stosowano

technikę bipolarną. Bardzo szybko oka−

zało się, że głównym czynnikiem ograni−

czającym rozmiary i złożoność układów

scalonych jest wydzielanie się w nich

ciepła. Przy dużej liczbie elementów

mieszczących się na bardzo małej po−

wierzchni, problemy cieplne były o wie−

le rzędów wielkości większe niż w ukła−

dach złożonych z elementów dyskret−

nych. Początkowo skoncentrowano się

na poszukiwaniu skuteczniejszych me−

tod odprowadzania ciepła, ale osiągalne

tą drogą możliwości szybko się wyczer−

pały. Było oczywiste, że zwiększenie

gęstości upakowania układów scalonych

wymaga bardziej zdecydowanych środ−

ków.

Rozwiązanie znalazło się w postaci

nowej technologii tranzystorów. Wielkimi

zaletami powstałych w 1963 tranzysto−

rów polowych są: niemal zerowy prąd

wejściowy bramki, bardzo mała opor−

ność kanału w trakcie przewodzenia

i bardzo duża w trakcie zablokowania.

Tranzystor polowy okazał się więc ideal−

ny do układów cyfrowych, których pobór

prądu można było dzięki niemu obniżyć

o wiele rzędów wielkości.

W tej dziedzinie znowu przodował

Texas Instruments, który pierwszy wpro−

wadził na rynek układy MOS w roku

1966. Pierwszym układem tej technologii

był przetwornik dwójkowo−dziesiątkowy,

a wkrótce pojawiło się wiele następ−

nych.

wany przez Noyce’a opracował w 1959

r. tzw. technologię planarną, której zna−

mienitą cechą jest wytwarzanie w jed−

nym litym krysztale krzemu wielu tran−

zystorów, łączonych następnie, zgodnie

z określonym schematem, za pomocą

ścieżek aluminiowych leżących na izola−

cyjnej warstwie SiO 2 . Z uzupełniają−

cych się idei Kilby’ego i Noyce’a wywo−

dzi się większość współczesnych tech−

nologii produkcji układów scalonych,

trzeba więc ich obu uznać za wynalaz−

ców tych układów.

Przyspieszenie

Podobnie jak wiele innych rewolucyj−

nych wynalazków, układy scalone nie

odniosły natychmiastowego sukcesu.

Pomysł pobudził wprawdzie wyobraźnię

wielu inżynierów i naukowców, ale wy−

sokie koszty produkcji ograniczały uży−

cie układów scalonych do bardzo małej

liczby wyspecjalizowanych zastosowań.

Pierwsze układy scalone ukazały się na

rynku dopiero w roku 1961. Produko−

wały je tylko dwa przedsiębiorstwa, Te−

xas Instruments i Fairchild, w cenie po

120 dolarów za sztukę, nic więc dziwne−

go, że ich zastosowanie nie było duże.

I wtedy, w roku 1961 prezydent

Kennedy sformułował swoją wizję badań

kosmicznych, oznajmiając że USA

z końcem dekady wyślą człowieka na

księżyc. Dla osiągnięcia tego celu po−

trzeba było wielkich funduszy na opraco−

wanie niezbędnych nowych technologii.

Jedną z najważniejszych dziedzin

wymagających przyspieszenia była

elektronika. Rozmiary, ciężar i nieza−

wodność urządzeń to były wymagania

decydujące. Wobec tych perspektyw za−

częło się pojawiać coraz więcej układów

scalonych, chociaż ich ceny ciągle były

wysokie.

Postęp w tej dziedzinie początkowo

nie był łatwy. Rezultatem napotykanych

trudności były wysokie koszty produkcji.

Głównym problemem był uzysk w pro−

dukcji. Dokładność wymagana przez

stosowane technologie nie była w pełni

osiągalna, skutkiem czego procentowy

udział wybrakowanych układów był du−

ży. Nawet w produkcji układów zawie−

rających kilka dziesiątków elementów

osiągano uzysk w granicach tylko 10%.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

awnych wspomnień czar

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: