Начиная с середины 40-ых годов прошлого века, стали проводиться разработки твердотельного аналога электронной лампы. В 1946 году была собрана исследовательская группа, в которую вошли Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Джеральд Пирсон, Роберт Джибни и Хилберт Мур под руководством Уильяма Шокли (рис.28).
В результате работы учёных в 1947 было получено устройство, работающее на эффекте поля, описанного Шокли ещё в 1939 году. Устройство состояло их трёх электродов, размещённых на германиевом кристалле. Коллектор и эмиттер являются точечными выпрямителями, находящимися близко друг от друга, третий электрод большой площади имеет низкое сопротивление и нанесён на основание - «базу» (рис. 29). Полученный твердотельный прибор, позднее названный точечным транзистором, усиливал по мощности более чем в 100 раз [16].
Для объяснения усиливающих свойств полученного устройства Уильям Шокли пришёл к разработке структуры из двух p-n переходов и разделяющего их слоя полупроводника. Её суть заключалась в регулировании диффузии неосновных носителей приложенным потенциалом. Таким образом, в 1949 году был описан принцип работы плоскостного биполярного транзистора, а в 1950 году были получены первые работающие образцы.
Открытию биполярного транзистора предшествовали многие другие работы, к примеру, Пикарда, Лосева, и Лилиенфельда, однако, эти исследования не повлияли на главенствующую в то время парадигму электронных ламп, но всё-таки заняли своё место как в истории, так и в жизни людей того времени [17-19].
Параллельно велись разработки по созданию полевого транзистора, однако, из-за отсутствия подходящих диэлектрических материалов, их результаты не увенчались успехом. Лишь в 1959 году Мартин Аттала смог создать прототип устройства, сопротивление которого управлялось с помощью напряжения, приложенного между металлом и полупроводником, используя кремний в качестве п/п материала и двуокись кремния в качестве изолятора. Данный тип приборов получил название МОП-структуры (структура типа Металл-Оксид-Полупроводник). В том же году были получены первые, работающие кремниевые МОП-транзисторы, а уже к 1962 году появилась первая опытная МОП-микросхема с шестнадцатью транзисторами. С тех пор МОП-транзисторы стали главным элементом при производстве вычислительной техники, заменив биполярные, благодаря своему меньшему энергопотреблению в сравнении с биполярными.
Транзистор продолжил реализацию функциональных особенностей логических элементов электронной компонентной базы предыдущих парадигм - то есть он выступал в качестве «ключевого» элемента, как до него это делали лампы и реле, выполняя при этом функцию делителя напряжения, потребляя меньше энергии, обладая меньшими размерами, высоким быстродействием при изменениях сигнала на входе, а также большим сроком службы, чем другие компоненты. Напоминаем, что действие «ключевого» элемента основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым сопротивлением, а в выключенном – весьма большим. Кстати, само по себе слово «транзистор» означает "изменяющееся сопротивление" (transientresist).
Транзистор стал революционным открытием, за которое учёные удостоились Нобелевской премии. Благодаря своим преимуществам перед ламповыми элементами в размерах, высокой энергоэффективности и надёжности началась смена концепции построения вычислительных приборов и устройств, давшей начало новой парадигме в электронике, главенствующей до сих пор.
В 1959 году Роберт Нойс объединил идеи Жана Эрни и Курта Леховеца в совокупность операций, позволяющих создавать в полупроводниковой пластине набор p-n переходов, границы которых выходят на одну и ту же плоскую поверхность. Данная технология, названная планарной, сделала возможным формирование элементов транзистора на поверхности кристалла кремния или другого полупроводникового материала.
Дальнейшее развитие планарной технологии реализовало изготовление на одной подложке большого числа одних и тех же схем. Так началось становление парадигмы интегральных схем (ИС), давшей старт эре миниатюризации электроники, продолжающейся по сей день. Основной задачей планарной технологии является сохранение функциональных свойств электронных элементов при уменьшении размера [20].
Идея объединения электронных компонентов в один кристалл была впервые предложена британским радиотехником Джеффри Даммером 7 мая 1952 г, однако, на тот момент её реализация была невозможна из-за недостаточного развития технологий. Созданию ИС препятствовали 3 основные проблемы, озвученные Торклом Уолмарком в 1958 году:
1. Интеграция компонентов (невозможно наносить на кристалл различные компоненты).
2. Изоляция компонентов в одном кристалле.
3. Электрическое соединение компонентов.
Прорыв состоялся в 1959 году благодаря исследованиям троих учёных (рис.30): Джека Килби, разработавшего принцип объединения и наладившего серийное производство ИС; Курта Леговеца, реализовавшего электрическую изоляцию компонентов в одном кристалле (т.е p-n переход) и Роберта Нойса, который разработал способ электрического соединения компонентов ИС, ставшего основой планарной технологии [19]. Однако, разработки кремниевой ИС проводились не только в США, но и в СССР.
Уже в начале 1960 года коллектив в НИИ-35 (впоследствии переименованном в НИИ «Пульсар») проводил попытки реализации интегральной схемы, но лишь в 1965 году в ЦКБ при Воронежском заводе полупроводниковых приборов в отделе по разработке планарных транзисторов группа под руководством В.И.Никишина успешно реализовала партию из 10 опытных образцов, давших начало успешному развитию целого ряда программ в области твердотельной электроники СССР (рис.31-32) [21].
До 1962 года ИС строились из стандартных компонентов, размеры которых были заданы технологическим процессом, а при проектировании использовались один и те же элементы электронно-компонентной базы. Однако, начиная с разработки новой стратегии проектирования Тома Лонга, стали использоваться не просто отдельные устройства, а разные конфигурации элементов в зависимости от их назначения. Таким образом возникло семейство микросхем, основанных на транзисторно-транзисторной логике.
Данная концепция стала началом развития целого направления в технологии изготовления различных типов логик ИС для различных транзисторов.
Благодаря появлению ИС началось интенсивное развитие ЭВМ, связанное с развитием технологии элементной базы. В течение последних 50 лет парадигма кремниевых ИС была главенствующей в электронике. Среди её достижений стоит отметить массовость и доступность различных ЭВМ-устройств и приборов, появилась возможность совершенствования вычислительных процессов путём программирования в ЭВМ, стало возможным появление глобальной мировой сети, освоение космоса, развитие атомной энергетики и т.д.
В начале XXI века планарная технология плоскостной архитектуры достигает фазы зрелости. Начиная с 2007 года, развивается направление трёхмерной архитектуры ИС, преимущества которого выражены в удешевлении производства схем и увеличении общего числа транзисторов на кристалле. Подобная перспектива является значительным стимулом к развитию новой парадигмы в дизайне полупроводниковых устройств – проектирования в вертикальной архитектуре (рис.33-35) [22-23].
TSV (Through Silicon Vias – переходные отверстия в кремнии) – данная технология разработана компанией IBM, и позволяет перейти от планарного расположения элементов в одной плоскости к объёмному расположению друг над другом, в результате чего существенного уменьшаются габариты изделия и возрастает его производительность. Суть технологии – в формировании переходных отверстий в кремниевых чипах (реактивным ионным травлением, лазерной абляцией и т.п), которые заполняются проводящим материалом – поликремнием или металлом (медь, золото, вольфрам и т.п). В результате образуются вертикальные проводники, связывающие кристаллы в стеке. Применение данной технологии позволило на 40% повысить энергоэффектвиность усилителя за счёт уменьшения длины электрических соединений между функциональными элементами микросборки.
VIP (Vertical Interconnect Pillar – вертикальные межсоединительные колонки) - суть данной технологии заключается в том, что на готовой полупроводниковой пластине с кристаллами микросхем формируется дополнительный слой металлизации, который выводит контактные площадки на один из краёв кристалла (чипа). Затем вся пластина покрывается защитным изолирующим слоем (полимером), в котором вскрываются окна под контактными площадками. Далее происходит разделение пластины на кристаллы (скайбированием, травлением и т.п.), которые соединяются вертикально друг над другом, образуя стек. Для соединения может использоваться широкий набор полимеров, в которые вводят твёрдые наполнители в виде шариков фиксированного размера (чтобы не было смещений при дальнейших операциях). Вертикальные ряды контактных площадок соединяются при помощи полимерных проводящих полос на основе смолы с серебряным наполнителем.
Технология TSV базируется на следующих методах:
· Высокоаспектное селективное травление
· Напыление металлизации
· Низкотемпературное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (для формирование диэлектрических слоёв).
Не смотря на очевидные достоинства технологии TSV, она обладает рядом существенных недостатков:
· Формирование переходных отверстий в кристаллах – достаточно сложный процесс, в ходе которого могут пострадать уже сформированные полупроводниковые структуры.
· Переходные отверстия неизбежно занимают дополнительную площадь кристалла, следовательно необходимо вносить изменения в его топологию.
· Дороговизна
По этим причинам в одно время с IBM компания Vertical Circuits представила свою собственную технологию – VIP – которая в технологическом плане значительно проще TSV и не требует вмешательства в структуру кристалла. Данная фирма либо собирает в стек трехмерные микросборки (память, чипы процессоров и т.д.) монтируют в стандартные корпуса BGA или SOP, либо выпускают в бескорпусном исполнении, которое носит название Micropede. В этом случае стек чипов устанавливается на подложку и при необходимости покрывается защитным покрытием.
Важное достоинство VIP – его технологичность, поскольку не требуется вмешательства в топологию микросхем на пластинах, как в случае с TSV, а для нанесения полимерной пасты не требуется специальное дорогостоящее оборудование. В данном случае используются технологии компании Optomec под названием Aerosol Jet.
Принцип данной технологии состоит в аэрозольном напылении материала на подложку, который позволяет обеспечивать высокую точность нанесения и формирование объектов размером до 10 мкм.
Помимо уменьшения размеров схем, ведутся исследования по качественному улучшению характеристик устройств, реализованных на ИС. К примеру, разрабатываются новые подходы для увеличения производительности многоядерных процессоров, основанных на механизмах взаимодействия нейронов в головном мозге.
Благодаря реализации природных механизмов в электронных устройствах становится возможным получение нестандартных архитектур, в которых ядра объединяются в композитные блоки, что приведёт к качественному улучшению характеристик каждого ядра в отдельности [24-26].
Стоит упомянуть и про реализацию топологии нейронной сети на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Данный метод позволит автоматизировать проектирование нейронных структур, в основе которого лежит использование клеточных автоматов. Схема, основанная на ПЛИС, позволяет построить эффективную распределительную систему для решения различных задач в области цифровой обработки сигналов (рис.36). Благодаря реализации модели клеточных автоматов станет возможным быстрое проектирование нелинейных многослойных нейронных сетей с последующим их размещением на кристалле ПЛИС. Но в качестве недостатка разработанного метода выступает ограниченное число проектируемых архитектур. Однако, их количество можно расширить, дополнив системой правил для реализации возможности обучения сети [27].
При достижении наноразмерных величин начинают действовать термодинамические, электродинамические и квантово-механические законы, сильно влияющие на характеристики элементов.
С одной стороны, вышеперечисленные ограничения являются пределом для дальнейшей миниатюризации МОП-транзисторов на основе кремния. С другой стороны, отказываясь от полевого эффекта, квантово-механические явления позволяют ряд совершенно новых устройств, на работающих на иных принципах при гораздо меньших размерах. Особую ценность квантово-механическим эффектам придаёт связь именно с наномасштабами процессов и устройств, т.е новые принципы могут быть реализованы в самых разных системах (металлы, полупроводники, молекулярные соединения и т.д.). Используя уникальные квантовые особенности частиц в электронике, можно создавать новые схемы и устройства, работающих даже при комнатной температуре. В связи с этим становится очевидным, что для дальнейшего развития электроники понадобятся новые материалы и приборы с новой архитектурой, работающие на иных физических принципах [28].
Источники:
16. Brattain W. H. and Bardeen J. // “Nature of the Forward Current in Germanium Point Contacts”// W. H. Brattain and J. Bardeen; Phys. Rev. 74, 231 (1948).
17. Сайт журнала: «Компоненты и технологии» — URL: http://kit-e.ru/articles/elcomp/2006_9_198.php (дата обращения: 27.10.16).
18. Тригг Дж. / Физика XXвека: ключевые эксперименты. / Дж. Тригг. – М.: «Мир», 1978. – 376 с.
19. Сайт информационного портала MSEVM. Архив рассылки «Вестник старого радио»— URL: http://msevm.com/oldradio/subsc/030.htm(дата обращения: 27.10.16).
20. Черняев В. Н. / Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров / В. Н. Черняев:— М.: Радио и связь, 1987. — 464 с.
21. Сайт издательства «Открытые системы» – URL: http://www.osp.ru/cw/2003/04/60677/(дата обращения: 24.10.2016).
22. Петров Лев, Анатолий Удовик // «Кто изобрёл интегральную микросхему?» // Лев Петров, Удовик Анатолий / «Электронные компоненты», г. Москва, 2013, №8 2013.
23. Сайт «Электроника. Наука. Технология. Бизнес»URL: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/2/article_2925_731.pdf (дата обращения: 25.10.2016).
24. Васин. Е. // «3D-Монтаж микросборок. Технология VPI как альтернатива TSV» // Е. Васин, И. Шахнович / научно-технический журнал печатный монтаж, г. Москва, 03.2010.
25. Алексей Борзенко. / Многоядерные процессоры. Платформы и технологии/ №5/2005.
26. Сайт «Интуит» URL: http://www.intuit.ru/studies/courses/4115/1230/lecture/2407 (дата обращения: 24.10.2016).
27. Дедегкаев А.Г. // Метод проектирования структуры нейронных сетей на основе клеточных автоматов // А.Г. Дедегкаев, Рыжков А.А: Технические науки: электрон. научн. журн. 2013. № 1 (1).
28. Каспер Ю.В. и др // Графеновая электроника // Энергия-XXI. -2016. - №2(94). - С.82 - 90.
Список статей канала по данной теме:
Парадигмальная модель развития электроники. Глава 1. Введение в парадигмальную теорию.
Глава 2. Взаимодополняющие законы развития науки, технологий и общества.
Глава 3. История развития мировой электроники. Часть 2. Парадигма вакуумной электроники.
Глава 3. История развития мировой электроники. Часть 3. Парадигма твердотельной электроники.
Глава 3. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Часть 5. Спинтроника.
Глава 3. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Часть 6. Фотоника.
Глава 3. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Часть 7. Биоэлектроника.
Глава 4. Электроника. Вызовы XXI века. Перспективы дальнейшего развития.
