Первая интегральная микросхема: 404 Страница не найдена

Содержание

Первая микросхема 🙂 / Хабр

Очень рад в подробностях рассказать о своей первой интегральной схеме и поделиться перипетиями этого проекта, которым занимался на протяжении прошлого года. Надеюсь, мой успех вдохновит других и поможет начать революцию в производстве домашних микросхем. Когда я приступил к этому проекту, то понятия не имел, во что ввязался, но в итоге узнал больше, чем когда-либо думал, о физике, химии, оптике, электронике и многих других областях.

Кроме того, мои усилия сопровождались лишь самыми положительными отзывами и поддержкой со всего мира. Искренне благодарен всем, кто мне помогал, давал советы и вдохновлял на этот проект. Особенно моим удивительным родителям, которые не только всегда поддерживают и поощряют меня как только могут, но и предоставили рабочее место и смирились с затратами на электроэнергию… Спасибо!

Без дальнейших церемоний представляю первую интегральную схему (ИС), изготовленную литографическим способом в домашних (гаражных) условиях — PMOS-чип двойного дифференциального усилителя Z1.


Я говорю «изготовленную литографическим способом», потому что Джери Эллсуорт изготовила первые транзисторы и логические вентили (с соединениями, тщательно проложенными вручную проводящей эпоксидной смолой) и показала миру, что это возможно. Вдохновленный её работой, я представляю интегральные схемы, созданные масштабируемым, стандартным фотолитографическим процессом. Излишне говорить, что это логический шаг вперёд по сравнению с моим предыдущей работой, где я воспроизвёл полевой транзистор Джери.

Я

разработал усилитель Z1

, когда искал простой чип для тестирования и настройки своего процесса. Макет сделан в

Magic VLSI

для процесса PMOS с четырьмя масками (активная/легированная область, подзатворный оксид, контактное окно и верхний металлический слой). У PMOS есть преимущество перед NMOS, если учесть ионные примеси из-за изготовления в гараже. Маски разработаны с соотношением сторон 16:9 для упрощения проекции.


Макет Magic VLSI


Генерация маски


Активная область


Затвор


Контакт


Металл

Размер затвора приблизительно 175 мкм, хотя на чипе для проверки выполнены элементы размером до 2 мкм. Каждая секция усилителя (центральная и правая) содержит три транзистора (два для дифференциальной пары с общим резистором в эмиттерах и один в качестве источника тока/нагрузочного резистора), что означает в общей сложности шесть транзисторов на ИС. В левой части резисторы, конденсаторы, диоды и другие тестовые элементы, чтобы изучить характеристики техпроцесса. Каждый узел дифференциальных пар выходит отдельным штифтом на выводной рамке, поэтому его можно изучать, а при необходимости добавить внешнее смещение.

Процесс изготовления состоит из 66 отдельных шагов и занимает примерно 12 часов. Выход достигает 80% для больших элементов, но сильно зависит от количества выпитого кофе в конкретный день. Я также записал видео на YouTube о

теории производства микросхем

и

отдельно об изготовлении МОП-транзисторов

.

Кремниевые пластины 50 мм (2″) разбиваются на кристаллы 5,08×3,175 мм (площадь около 16 мм²) волоконным лазером Epilog. Такой размер кристалла выбран, чтобы он помещался в 24-контактный DIP-корпус Kyocera.


Пластина N-типа 50 мм


Пластина N-типа 50 мм

Сначала с пластины снимается нативная окись быстрым погружением в разбавленный фтороводород с последующей интенсивной обработкой травильной смесью «пиранья» (смесь серной кислоты и перекиси водорода), смесью RCA 1 (вода, аммиак, перекись водорода), смесью RCA 2 (вода, соляная кислота, перекись водорода) и повторным погружением во фтороводород.

Защитный окисел термически выращивается в водяном паре окружающего воздуха (влажное оксидирование) до толщины 5000−8000 Å.


Влажное термическое оксидирование


Влажное термическое оксидирование


Трубчатая печь


Оксидированная пластина

Оксидированная пластина готова к формированию рисунка на активной/легированной (Р-типа) области. Фоторезист AZ4210 наносится на вращающуюся примерно на 3000 оборотах в минуту подолжку, формируя плёнку толщиной около 3,5 мкм, которая аккуратно подсушивается при 90°С на электроплитке.

Процесс литографии детально

Маску активной зоны обрабатывает мой фотолитографический степпер Mark IV в ультрафиолете с шагом 365 нм — и структура отрабатывается в растворе гидроксида калия.


Структура резиста


Структура резиста


30-минутная подсушка


Травление активной зоны

После этого структура резиста плотно затвердела и применяется несколько других трюков, чтобы обеспечить хорошее сцепление и химическую стойкость во время следующего вытравливания во фтороводороде, который переносит эту структуру на слой подзатворного оксида и открывает окна к голому кремнию для легирования. Эти регионы позже станут истоком и стоком транзистора.


Частицы замыкают затвор


Легированные кристаллы с вытравленными затворами

После этого производится легирование, то есть введение примесей из твёрдого или жидкого источника. В качестве твёрдого источника применяется диск нитрида бора, размещённый поблизости (менее 2 мм) от пластины в трубчатой печи. Как вариант, можно приготовить жидкостный источник из фосфорной или борной кислоты в воде или растворителе — и провести легирование по стандартному процессу преднанесения/погружения во фтороводород/диффундирования/удаления глазури.

Вышеупомянутые шаги формирования рисунка затем повторяются дважды для подзатворного оксида и контактного слоя. Подзатворный оксид должен быть гораздо тоньше (менее ~750 Å), чем защитный оксид, поэтому зоны между стоком/истоком вытравливаются — и там выращивается более тонкий оксид. Затем, поскольку вся пластина оксидировалась на шаге легирования, нужно вытравить контактные окна, чтобы установить контакт металлического слоя с легированными зонами истока/стока.

Теперь все транзисторы сформированы и готовы к межсоединениям с выходом на выводную рамку. Защитный слой алюминия (400−500 нм) распыляется или термически напыляется на пластину. Альтернативой был бы метод взрывной литографии (lift-off process), когда сначала формируется фоторезист, а затем осаждается металл.


Напылённый металл


Напылённый металл

Затем на слое металла формируется рисунок методом фотолитографии и происходит травление в горячей фосфорной кислоте, чтобы завершить изготовление интегральной схемы. Заключительные шаги перед тестированием — это визуальный осмотр и высокотемпературный отжиг алюминия для формирования омических переходов.

Микросхема теперь готова для упаковки и тестирования.

У меня нет установки микросварки (принимаю пожертвования!), поэтому сейчас процесс тестирования ограничен прощупыванием пластины острым пинцетом или использованием платы flip-chip (трудно выровнять) c подключением к характериографу. Дифференциальный усилитель также эмпирически тестируется в цепи для проверки работоспособности.


Кривая IV


Кривая IV

Кривая FET Ids/Vds от с предыдущего устройства NMOS

Конечно, эти кривые далеки от идеальных (в том числе из-за излишнего сопротивления контактов и других подобных факторов), но я ожидаю улучшения характеристик, если раздобуду установку микросварки. Этим могут частично объясняться и некоторые отличия от кристалла к кристаллу. Скоро я добавлю на эту страницу новые кривые IV, характеристики транзистора и дифференциального усилителя.

История изобретения интегральной схемы — RadioRadar

Первая логическая схема на кристаллах кремния была изобретена 52 года назад и содержала только один транзистор. Один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс в 1959 году изобрел устройство, которое затем стало называться интегральной схемой, микросхемой или микрочипом. А почти на полгода раньше похожее устройство придумал инженер из  компании Texas Instruments Джэк Килби. Можно сказать, что эти люди стали изобретателями микросхемы.

Интегральной микросхемой называется система из конструктивно связанных элементов, соединенных между собой электрическими проводниками. Также под интегральной схемой понимают кристалл с электронной схемой. Если интегральная схема заключена в корпус, то это уже микросхема.

Первая действующая интегральная микросхема была представлена Килби 12 сентября 1958. В ней использовалась разработанная им концепция, базирующаяся на принципе изоляции компонентов схемы p-n-переходами, изобретенном Куртом Леховеком.

Внешний вид новинки был немного страшноват, но Килби и не предполагал, что показанное им устройство положит начало всем информационным технологиям, иначе, по его словам, он сделал бы этот прототип покрасивее.

 

Но в тот момент важна была не красота, а практичность. Все элементы электронной схемы – резисторы, транзисторы, конденсаторы и остальные, — были размещены на отдельных платах. Так было до тех пор, пока не возникла мысль сделать всю схему на одном монолитном кристалле полупроводникового материала.

Самая первая интегральная микросхема Килби представляла собой маленькую германиевую полоску 11х1,5 мм с одним транзистором, несколькими резисторами и конденсатором. Несмотря на свою примитивность, эта схема выполнила свою задачу – вывела синусоиду на экран осциллографа.

Шестого февраля 1959 года Джэк Килби подал заявку на регистрацию патента на новое устройство, описанное им как объект из полупроводникового материала с полностью интегрированными компонентами электронной схемы. Его вклад в изобретение микросхемы был отмечен вручением ему в 2000 году Нобелевской премии в области физики.

Идея Роберта Нойса смогла решить несколько практических проблем, не поддавшихся интеллекту Килби. Он предложил использовать для микросхем кремний, а не германий, предложенный Джэком Килби.

Патенты были получены изобретателями в одном и том же 1959 году. Начавшееся между TI и Fairchild Semiconductor соперничество завершилось мирным договором. На взаимовыгодных условиях они создали лицензию на изготовление чипов. Но в качестве материала для микросхем выбрали все же кремний.

Производство интегральных схем было запущено на Fairchild Semiconductor в 1961 году. Они сразу заняли свою нишу в электронной промышленности. Благодаря их применению в создании калькуляторов и компьютеров в качестве отдельных транзисторов, дало возможность сделать вычислительные устройства более компактными, повысив при этом их производительность, значительно упростив ремонт компьютеров.

Можно сказать, что с этого момента началась эпоха миниатюризации, продолжающаяся по сей день. При этом абсолютно точно соблюдается закон, который сформулировал коллега Нойса Гордон Мур. Он предсказал, что число транзисторов в интегральных схемах каждые 2 года будет удваиваться.

Покинув Fairchild Semiconductor в 1968 году, Мур и Нойс создали новую компанию – Intel. Но это уже совсем другая история …

Первые интегральные схемы

50-летию официальной даты посвящается

Б. Малашевич

12 сентября 1958 года сотрудник фирмы Texas Instruments (TI) Джек Килби продемонстрировал руководству три странных прибора — склеенные пчелиным воском на стеклянной подложке устройства из двух кусочков кремния размером 11,1?1,6 мм (рис.1). Это были объёмные макеты – прототипы интегральной схемы (ИС) генератора, доказывающие возможность изготовления всех элементов схемы на основе одного полупроводникового материала. Эта дата отмечается в истории электроники как день рождения интегральных схем. Но так ли это?

Рис. 1. Макет первой ИС Дж. Килби. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

К концу 1950-х годов технология сборки радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) из дискретных элементов исчерпала свои возможности. Мир пришёл к острейшему кризису РЭА, требовались радикальные меры. К этому моменту в США и СССР уже были промышленно освоены интегральные технологии производства, как полупроводниковых приборов, так и толстоплёночных и тонкопленочных керамических плат, т. е. созрели предпосылки для выхода из этого кризиса путем создания многоэлементных стандартных изделий – интегральных схем.

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.

ИС разрабатываются и выпускаются промышленностью в виде серий, объединяющий ряд микросхем различного функционального назначения, предназначенных для совместного применения в электронной аппаратуре. ИС серии имеют стандартное конструктивное исполнение и единую систему электрических и иных характеристик. ИС поставляются производителем разным потребителям как самостоятельная товарная продукция, удовлетворяющая определенной системе стандартизованных требований. ИС относятся к неремонтируемым изделиям, при ремонте РЭА вышедшие из строя ИС заменяются.

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.

Явление миру гибридных (ГИС) и полупроводниковых ИС происходило по-разному. ГИС является продуктом эволюционного развития микромодулей и технологии монтажа на керамических платах. Поэтому появились они незаметно, общепринятой даты рождения ГИС и общепризнанного автора не существует. Полупроводниковые ИС были естественным и неизбежным результатом развития полупроводниковой техники, но потребовавшим генерации новых идей и создания новой технологии, у которых есть и свои даты рождения, и свои авторы. Первые гибридные и полупроводниковые ИС появились в СССР и США почти одновременно и независимо друг от друга.

Первые гибридные ИС

К гибридным относятся ИС, в производстве которых сочетается интегральная технология изготовления пассивных элементов с индивидуальной (ручной или автоматизированной) технологией установки и монтажа активных элементов.

Еще в конце 1940-х годов в фирме Centralab в США были разработаны основные принципы изготовления толстоплёночных печатных плат на керамической основе, развитые затем другими фирмами. В основу были положены технологии изготовления печатных плат и керамических конденсаторов. От печатных плат взяли интегральную технологию формирования топологии соединительных проводников – шелкографию. От конденсаторов – материал подложки (керамика, чаще ситал), а также материалы паст и термическую технологию их закрепления на подложке.

А в начале 1950-х годов в фирме RCA изобрели тонкоплёночную технологию: распыляя в вакууме различные материалы и осаждая их через маску на специальные подложки, научились на единой керамической подложке одновременно изготавливать множество миниатюрных плёночных соединительных проводников, резисторов и конденсаторов.

По сравнению с толстоплёночной, тонкоплёночная технология обеспечивала возможность более точного изготовления элементов топологии меньших размеров, но требовала более сложного и дорогостоящего оборудования. Устройства, изготавливаемые на керамических платах по толстоплёночной или тонкоплёночной технологии, получили название “гибридные схемы”. Гибридные схемы выпускались как комплектующие изделия собственного производства, их конструкция, размеры, функциональное назначение у каждого изготовителя были свои, на свободный рынок они не попадали, а потому мало известны.

Вторглись гибридные схемы и в микромодули. Сначала в них применялись дискретные пассивные и активные миниатюрные элементы, объединённые традиционным печатным монтажом. Технология сборки была сложной, с огромной долей ручного труда. Поэтому микромодули были весьма дорогими, их применение было ограничено бортовой аппаратурой. Затем применили толстопленочные миниатюрные керамические платки. Далее по толстопленочной технологии начали изготавливать резисторы. Но диоды и транзисторы использовались ещё дискретные, индивидуально корпусированные.

Гибридной интегральной схемой микромодуль стал в тот момент, когда в нём применили бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировали конструкцию в общем корпусе. Это позволило значительно автоматизировать процесс их сборки, резко снизить цены и расширить сферу применения. По методу формирования пассивных элементов различают толстоплёночные и тонкоплёночные ГИС.

Первые ГИС в СССР

Первые ГИС (модули типа “Квант” позже получившие обозначение ИС серии 116) в СССР были разработаны в 1963 г . в НИИРЭ (позже НПО “Ленинец”, Ленинград) и в том же году его опытный завод начал их серийное производство. В этих ГИС в качестве активных элементов использовались полупроводниковые ИС “Р12- 2” , разработанные в 1962 г . Рижским заводом полупроводниковых приборов. В связи с неразрывностью историй создания этих ИС и их характеристик, мы рассмотрим их вместе в разделе, посвященном Р12-2.

Бесспорно, модули “Квант” были первыми в мире ГИС с двухуровневой интеграцией – в качестве активных элементов в них использовались не дискретные бескорпусные транзисторы, а полупроводниковые ИС. Вполне вероятно, что они вообще были и первыми в мире ГИС – конструктивно и функционально законченными многоэлементными изделиями, поставляемыми потребителю как самостоятельная товарная продукция. Самым ранним из выявленных автором зарубежных подобных изделий являются ниже описанные SLT -модули корпорации IBM , но они были анонсированы в следующем, 1964 г .

Первые ГИС в США

Появление толстоплёночных ГИС, как основной элементной базы новой ЭВМ IBM System /360, впервые было анонсировано корпорации IBM в 1964 г . Похоже, что это было первое применение ГИС за пределами СССР, более ранних примеров автору обнаружить не удалось.

Уже известные в то время в кругах специалистов полупроводниковые ИС серий “Micrologic” фирмы Fairchild и » SN -51″ фирмы TI (о них мы скажем ниже) были ещё недоступно редки и непозволительно дороги для коммерческого применения, каким было построение большой ЭВМ. Поэтому корпорация IBM , взяв за основу конструкцию плоского микромодуля, разработала свою серию толстоплёночных ГИС, анонсированную под общим названием (в отличие от “микромодулей”) – “ SLT -модули” ( Solid Logic Technology – технология цельной логики. Обычно слово “s olid ” переводят на русский язык как “твёрдый”, что абсолютно нелогично. Действительно, термин “ SLT -модули” был введен IBM как противопоставление термину “микромодуль” и должен отражать их отличие. Но оба модуля “твёрдые”, т. е. этот перевод не годится. У слова “ solid ” есть и другие значения – “сплошной”, “целый”, которые удачно подчеркивают различие “ SLT -модулей” и “микромодулей” – SLT -модули неделимы, неремонтопригодны, т. е. “целые”. Поэтому мы и использовали не общепринятый перевод на русский язык: Solid Logic Technology – технология цельной логики).

SLT -модуль представлял собой квадратную керамическую толстоплёночную микроплатку полудюймового размера с впрессованными вертикальными штыревыми выводами. На её поверхность методом шелкографии наносились (согласно схеме реализуемого устройства) соединительные проводники и резисторы, и устанавливались бескорпусные транзисторы. Конденсаторы, при необходимости, устанавливались рядом с SLT -модулем на плате устройства. При внешней почти идентичности (микромодули несколько повыше, рис. 2.) SLT -модули от плоских микромодулей отличались более высокой плотностью компоновки элементов, низким энергопотреблением, высоким быстродействием и высокой надёжностью. Кроме того, SLT -технология достаточно легко автоматизировалась, следовательно их можно было выпускать в огромных количествах при достаточно низкой для применения в коммерческой аппаратуре стоимости. Именно это IBM и было нужно. Фирма построила для производства SLT -модулей автоматизированный завод в East Fishkill близ Нью-Йорка, который выпускал их миллионными тиражами.

Рис. 2. Микромодуль СССР и SLT-модуль ф. IBM. Фото STL с сайта http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

Вслед за IBM ГИС начали выпускать и другие фирмы, для которых ГИС стала товарной продукцией. Типовая конструкция плоских микромодулей и SLT -модулей корпорации IBM стала одним из стандартов для гибридных 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. О днако 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 (рис. 1). 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.

Рис. 3. Триггер Type 502 Дж. Килби. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Первой действительно интегральной схемой Килби, выполненной в одном кусочке монолитного германия , оказалась экспериментальная ИС триггера “ Type 502” (рис. 3). 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.

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 конце 1958 года физик Д. Хорни, работавший в компании Fairchild Semiconductor, разработал планарную технологию изготовления транзисторов. А физик чешского происхождения Курт Леховек, работавший в Sprague Electric, разработал технику использования обратно включенного n — p перехода для электрической изоляции компонентов. В 1959 году Роберт Нойс, прослышав про макет ИС Килби, решил попробовать создать интегральную схему, комбинируя процессы, предложенные Хорни и Леховеком. А вместо “волосатой технологии” межсоединений Нойс предложил избирательное напыление тонкого слоя металла поверх изолированных двуокисью кремния полупроводниковых структур с подключением к контактам элементов через отверстия, оставленные в изолирующем слое. Это позволило “погрузить” активные элементы в тело полупроводника, изолировав их окислом кремния, а затем соединить эти элементы напылёнными дорожками алюминия или золота, которые создаются при помощи процессов фотолитографии, металлизации и травления на последней стадии изготовления изделия. Таким образом, был получен действительно “монолитный” вариант объединения компонентов в единую схему, а новая технология получила название “планарной”. Но сначала нужно было идею проверить.

Рис. 4. Экспериментальный триггер Р. Нойса. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Рис. 5. Фотография ИС Micrologic в журнале Life. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

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 (рис. 4), 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 (рис. 5) 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 выслуш ать 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.

Один из основателей фирмы Fairchild Semiconductor Г. Мур сформулировал основной закон развития кремниевой микроэлектроники, согласно которому число транзисторов в кристалле интегральной схемы удваивалось каждый год. Этот закон, названный “закон Мура”, довольно чётко действовал в течение первых 15 лет (начиная с 1959 г .), а затем такое удвоение происходило приблизительно за полтора года.

Далее индустрия ИС в США начала развиваться стремительными темпами. В США начался лавинообразный процесс возникновения предприятий, ориентированных исключительно “под планар”, иногда доходило до того, что регистрировались по десятку фирм в неделю. Стремясь к ветеранам (фирмам У. Шокли и Р. Нойса), а также благодаря налоговым льготам и сервису, представляемому Стенфордским университетом, “новички” кучковались главным образом в долине Санта-Клара (Калифорния). Поэтому неудивительно, что в 1971 г . в обиход с легкой руки журналиста-популяризатора технических новинок Дона Хофлера в обращение вошел романтически-техногенный образ “Кремниевой долины” (Silicon Valley), навсегда ставший синонимом Мекки полупроводниковой технологической революции. Кстати, в той местности действительно имеется славившаяся ранее многочисленными абрикосовыми, вишневыми и сливовыми садами долина, имевшая до появления в ней фирмы Шокли другое, более приятное название – Долина сердечного удовольствия (the Valley of Heart’s Delight), ныне, к сожалению, почти забытое.

В 1962 год в США началось серийное производство интегральных схем, хотя их объём поставок заказчикам и составил всего лишь несколько тысяч. Сильнейшим стимулом для развития приборостроительной и электронной промышленности на новой основе явилась ракетно-космическая техника. США не имели тогда таких же мощных межконтинентальных баллистических ракет, как советские, и для увеличения заряда были вынуждены пойти на максимальное сокращение массы носителя, в том числе систем управления, за счёт внедрения последних достижений электронной технологии. Фирмы Texas Instrument и Fairchild Semiconductor заключили крупные контракты на разработку и изготовление интегральных схем с министерством обороны США и с НАСА.

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.

Нас будет интересовать один их новых заводов – выше упомянутый Рижский завод полупроводниковых приборов (РЗПП, он несколько раз менял свои названия, для простоты мы используем наиболее известное, действующее и ныне). В качестве стартовой площадки новому заводу выделили строящееся здание кооперативного техникума площадью 5300 м 2 , одновременно началось строительство специального здания. К февралю 1960 года на заводе было уже создано 32 службы, 11 лабораторий и опытное производство, приступившее в апреле к подготовке производства первых приборов. На заводе уже работало 350 человек, 260 из которых в течение года направлялись на учёбу в московский НИИ-35 (позже НИИ “Пульсар”) и на ленинградский завод “Светлана”. А к концу 1960 года численность работающих достигла 1900 человек. Первоначально технологические линии размещались в перестроенном спортивном зале корпуса кооперативного техникума, а лаборатории ОКБ – в бывших учебных аудиториях. Первые приборы (сплавно-диффузионные и конверсионные германиевые транзисторы П-401, П-403, П-601 и П-602 разработки НИИ-35) завод выпустил через 9 месяцев после подписания приказа о его создания, в марте 1960 года. А к концу июля изготовил первую тысячу транзисторов П-401. Затем освоил в производстве многие другие транзисторы и диоды. В июне 1961 года завершилось строительство специального корпуса, в котором началось массовое производство полупроводниковых приборов.

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.

Рис. 6. Рекламный буклет

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.

Рис. 7. Эквивалентная схема ИС Р12-2 (1ЛБ021) . Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

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 (рис. 6), 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 (рис.7).

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.

Рис. 8. Структура ИС Р12-2. Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

Рис. 9. Габаритный чертеж ТС Р12-2. Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

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 (рис. 8), 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, см. рис. 4 и 5).

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” (рис.9) 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.

К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тыс. ТС Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч. Таким образом, 1962 год стал годом рождения микроэлектронной промышленности в США и СССР.

Рис. 10. Группы ТС Р12-2

Рис. 11. Основные электрические характеристики Р12-2

Полупроводниковая технология тогда находилась на стадии становления и ещё не гарантировала строгой повторяемости параметров. Поэтому работоспособные приборы рассортировывали по группам параметров (это часто делают и в наше время). Так же поступили и рижане, установив 8 типономиналов ТС Р12-2 (рис. 10). Все другие электрические и иные характеристики у всех типономиналов одинаковы (рис. 11).

Выпуск ТС Р12-2 начался одновременно с проведением ОКР “Твердость”, завершившимся в 1964 году (ГК Ю.В. Осокин). В рамках этой работы была разработана усовершенствованная групповая технология серийного производства германиевых ТС на основе фотолитографии и гальванического осаждения сплавов через фотомаску. Её основные технические решения зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В. и Михаловича Д.Л. (А.С. №36845). В издававшемся с грифом “секретно” журнале “Спецрадиоэлектроника” вышло несколько статей Ю.В. Осокина в соавторстве со специалистами КБ-1 И.В. Ничего, Г.Г. Смолко и Ю.Е. Наумовым с описанием конструкции и характеристик ТС Р12-2 (и последовавшей за ней ТС Р12-5).

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.

Рис. 12. Модуль из 4 ТС Р12-2

В1963 г. в НИИРЭ в рамках ОКР “Квант” (ГК А.Н. Пелипенко, при участии Е.М. Ляховича) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2 (рис.12). На микроплату из тонкого стеклотекстолита размещали от двух до четырёх ТС Р12-2 (в корпусе), реализующих в совокупности определённый функциональный узел. На плату впрессовывали до 17 выводов (число менялось для конкретного модуля) длиной 4 мм . Микроплату помещали в металлическую штампованную чашечку размером 21,6 ? 6,6 мм и глубиной 3,1 мм и заливали полимерным компаундом. В результате получилась гибридная интегральная схема (ГИС) с двойной герметизацией элементов. И, как мы уже говорили, это была первая в мире ГИС с двухуровневой интеграцией, а, возможно, вообще первая ГИС. Было разработано восемь типов модулей с общим названием “Квант”, выполнявших различные логические функции. В составе таких модулей ТС Р12-2 сохраняли работоспособность при воздействии постоянных ускорений до 150 g и вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5–2000 Гц с ускорением до 15 g .

Модули “Квант” сначала выпускало опытное производство НИИРЭ, а затем их передали на Жигулевский радиозавод Минрадиопрома СССР, поставлявший их различным потребителям, в том числе заводу ВЭФ.

ТС Р12-2 и модули “Квант” на их основе хорошо зарекомендовали себя и широко применялись. В 1968 году вышел стандарт, устанавливающий единую в стране систему обозначений интегральных схем, а в 1969 году – Общие технические условия на полупроводниковые (НП0.073.004ТУ) и гибридные (НП0.073.003ТУ) ИС с единой системой требований. В соответствии с этими требованиями в Центральном бюро по применению интегральных схем (ЦБПИМС, позже ЦКБ “Дейтон”, Зеленоград) 6 февраля 1969 года на ТС были утверждены новые технические условия ЩТ3.369.001-1ТУ. При этом в обозначении изделия впервые появился термин “интегральная схема” серии 102. ТС Р12-2 стали называться ИС: 1ЛБ021В, 1ЛБ021Г, 1ЛБ021Ж, 1ЛБ021И. Фактически это была одна ИС, рассортированная на четыре группы по выходному напряжению и нагрузочной способности.

Рис. 13. ИС серии 116 и 117

А 19 сентября 1970 года в ЦБПИМС были утверждены технические условия АВ0.308.014ТУ на модули “Квант”, получившие обозначение ИС серии 116 (рис.13). В состав серии входило девять ИС: 1ХЛ161, 1ХЛ162 и 1ХЛ163 – многофункциональные цифровые схемы; 1ЛЕ161 и 1ЛЕ162 – два и четыре логических элемента 2НЕ-ИЛИ; 1ТР161 и 1ТР1162 – один и два триггера; 1УП161 – усилитель мощности, а также 1ЛП161 – логический элемент «запрет» на 4 входа и 4 выхода. Каждая их этих ИС имела от четырёх до семи вариантов исполнения, отличающихся напряжением выходных сигналов и нагрузочной способностью, всего было 58 типономиналов ИС. Исполнения маркировались буквой после цифровой части обозначения ИС, например, 1ХЛ161Ж. В дальнейшем номенклатура модулей расширялась. ИС серии 116 фактически были гибридными, но по просьбе РЗПП были маркированы как полупроводниковые (первая цифра в обозначении – “ 1” , у гибридных должно быть “ 2” ).

В 1972 году совместным решением Минэлектронпрома и Минрадиопрома производство модулей было передано из Жигулевского радиозавода на РЗПП. Это исключило транспортировку ИС серии 102 на дальние расстояния, поэтому отказались от герметизации кристалла каждой ИС. В результате упростилась конструкция ИС и 102-й, и 116-й серий: отпала необходимость корпусировать ИС серии 102 в металлическую чашечку с заливкой компаундом. Бескорпусные ИС серии 102 в технологической таре поступали в соседний цех на сборку ИС серии 116, монтировались непосредственно на их микроплату и герметизировались в корпусе модуля.

В середине 1970-х годов вышел новый стандарт на систему обозначений ИС. После этого, например, ИС 1ЛБ021В получила обозначение 102ЛБ1В.

Вторая ИС и ГИС Юрия Осокина. Твердая схема Р12-5 (ИС серий 103 и 117 )

К началу 1963 года в результате серьёзных работ по разработке высокочастотных n — p — n транзисторов коллектив Ю.В. Осокина накопил большой опыт работы с p -слоями на исходной n -германиевой пластине. Это и наличие всех необходимых технологических компонентов позволило Осокину в 1963 году приступить к разработке новой технологии и конструкции более быстродействующего варианта ТС. В 1964 году по заказу НИИРЭ была завершена разработка ТС Р12-5 и модулей на её основе. По её результатам в 1965 году была открыта ОКР “Паланга” (ГК Ю.В. Осокин, его заместитель – Д.Л. Михалович, завершена в 1966 году). Разрабатывались модули на основе Р12-5 в рамках той же ОКР “Квант”, что и модули на Р12-2. Одновременно с техническими условиями на серии 102 и 116 были утверждены технические условия ЩТ3.369.002-2ТУ на ИС серии 103 (Р12-5) и АВ0.308.016ТУ на ИС серии 117 (модули на основе ИС серии 103). Номенклатура типов и типономиналов ТС Р12-2, модулей на них и серий ИС 102 и 116 была идентична номенклатуре ТС Р12-5 и ИС серий 103 и 117, соответственно. Отличались они только быстродействием и технологией изготовления кристалла ИС. Типовое время задержки распространения сигнала серии 117 составило 55 нс против 200 нс в серии 116.

Конструктивно ТС Р12-5 представляла собой четырёхслойную полупроводниковую структуру (рис.14), где подложка n -типа и эммитеры p + -типа подсоединялись к общей шине “земли”. Основные технические решения построения ТС Р12-5 зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В., Михаловича Д.Л. Кайдалова Ж.А и Акменса Я.П. (А.С. №248847). При изготовлении четырехслойной структуры ТС Р12-5 важным ноу-хау было формирование в исходной германиевой пластине n -типа p -слоя. Это достигалось диффузией цинка в кварцевой отпаянной ампуле, где пластины располагаются при температуре около 900 ° С, а цинк – в другом конце ампулы при температуре около 500 ° С. Дальнейшее формирование структуры ТС в созданном p -слое аналогично ТС Р12-2. Новая технология позволила уйти от сложной формы кристалла ТС. Пластины с Р12-5 также шлифовались с тыльной стороны до толщины около 150 мкм с сохранением части исходной пластины, далее они скрайбировались на отдельные прямоугольные кристаллы ИС.

Рис. 14. Структура кристалла ТС Р12-5 из АС №248847. 1 и 2 – земля, 3 и 4 – входы, 5 – выход, 6 — питание

После первых положительных результатов изготовления опытных ТС Р12-5, по заказу КБ-1 была открыта НИР “Мезон- 2” , направленная на создание ТС с четырьмя Р12-5. В 1965 году получены действующие образцы в плоском металлокерамическом корпусе. Но Р12-5 оказалась сложной в производстве, главным образом – из-за сложности формирования легированного цинком p -слоя на исходной n — Ge пластине. Кристалл оказался трудоёмким в изготовлении, процент выхода годных низкий, стоимость ТС высокая. По этим же причинам ТС Р12-5 выпускалась в небольших объёмах и вытеснить более медленную, но технологичную Р12-2 она не смогла. А НИР “Мезон- 2” вообще не получил продолжения, в том числе – из-за проблем межсоединений.

К этому времени в НИИ “Пульсар” и в НИИМЭ уже широким фронтом велись работы по развитию планарной кремниевой технологии, обладающей рядом преимуществ перед германиевой, главные из которых – более высокий диапазон рабочих температур (+150°С у кремния и +70°С у германия) и наличии у кремния естественной защитной пленки SiO 2 . А специализация РЗПП была переориентирована на создание аналоговых ИС. Поэтому специалисты РЗПП посчитали развитие германиевой технологии для производства ИС нецелесообразным. Однако при производстве транзисторов и диодов германий ещё какое-то время не сдавал своих позиций. В отделе Ю.В. Осокина уже после 1966 года были разработаны и производились РЗПП германиевые планарные малошумящие СВЧ транзисторы ГТ329, ГТ341, ГТ 383 и др. Их создание было отмечено Государственной премией Латвийской СССР.

Применение

Рис. 15. Арифметическое устройство на твердосхемных модулях. Фото из буклета ТС от 1965 г.

Рис. 16. Сравнительные габариты устройства управления АТС, выполненного на реле и ТС. Фото из буклета ТС от 1965 г.

Заказчиками и первыми потребителями ТС Р12-2 и модулей были создатели конкретных систем: ЭВМ “Гном” (рис. 15) 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” (рис. 15) и сравнением выпускаемой тогда заводом ВЭФ стойки АТС на основе реле с маленьким блочком на ладони девушки (рис.16). Были и другие многочисленные применения первых рижских ИС.

Производство

Сейчас трудно восстановить полную картину объёмов производства ИС серий 102 и 103 по годам (сегодня РЗПП из крупного завода превратился в небольшое производство и многие архивы утеряны). Но по воспоминаниям Ю.В. Осокина, во второй половине 1960-х годов производство исчислялось многими сотнями тысяч в год, в 1970-х годах – миллионами. По сохранившимся его личным записям в 1985 году было выпущено ИС серии 102 – 4 100 000 шт., модулей серии 116 – 1 025 000 шт., ИС серии 103 – 700 000 шт., модулей серии 117 – 175 000 шт.

В конце 1989 года Ю.В. Осокин, тогда генеральный директор ПО “Альфа”, обратился к руководству Военно-промышленной комиссии при СМ СССР (ВПК) с просьбой о снятии серий 102, 103, 116 и 117 с производства ввиду их морального старения и высокой трудоёмкости (за 25 лет микроэлектроника далеко ушла вперед), но получил категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В.Л. Коблов сказал ему, что самолеты летают надёжно, замена исключается. После распада СССР ИС серий 102, 103, 116 и 117 выпускались ещё до середины 1990-х годов, т. е. более 30 лет. ЭВМ “Гном” до сих пор стоят в штурманской кабине “Ил- 76” и некоторых других самолетов. “Это суперкомпьютер”, – не теряются наши лётчики, когда зарубежные коллеги удивленно интересуются невиданным ныне агрегатом.

О приоритетах

Несмотря на то, что у Дж. Килби и Р. Нойса были предшественники, именно они признаны мировой общественностью в качестве изобретателей интегральной схемы.

Р. Килби и Дж. Нойс через свои фирмы подали заявки на выдачу патента на изобретение интегральной схемы. Texas Instruments подала заявку на патент раньше, в феврале 1959 г ., а Fairchild сделала это только в июле того же года. Но патент под номером 2981877 выдали в апреле 1961 г . Р. Нойсу. Дж. Килби подал в суд и только в июне 1964 г . получил свой патент под номером 3138743. Потом была десятилетняя война о приоритетах, в результате которой (редкий случай) “победила дружба”. В конечном счёте, Апелляционный Суд подтвердил претензии Р. Нойса на первенство в технологии, но постановил считать Дж. Килби создателем первой работающей микросхемы. А Texas Instruments и Fairchild Semiconductor подписали договор о кросс-лицензировании технологий.

В СССР патентование изобретений авторам ничего, кроме хлопот, ничтожной разовой выплаты и морального удовлетворения не давало, поэтому многие изобретения вообще не оформлялись. И Осокин тоже не спешил. Но для предприятий количество изобретений было одним из показателей, так что их всё же приходилось оформлять. Поэтому Авторское свидетельство СССР за №36845 на изобретение ТС Р12-2 Ю. Осокина и Д. Михалович получили только 28 июня 1966 года.

А Дж. Килби в 2000 г . за изобретение ИС стал одним из лауреатов Нобелевской премии. Р. Нойс не дождался мирового признания, он скончался в 1990 г ., а п о положению Нобелевская премия не присваивается посмертно. Что, в данном случае, не совсем справедливо, поскольку вся микроэлектроника пошла по пути, начатом Р. Нойсом. Авторитет Нойса среди специалистов был настолько высок, что он даже получил прозвище “мэр Кремниевой долины”, поскольку был тогда самым популярным из ученых, работавших в той части Калифорнии, которая получила неофициальное название Silicon Valley (В. Шокли называли “Моисеем Кремниевой долины”). А путь Дж. Килби (“волосатый” германий) оказался тупиковым, и не был реализован даже в его фирме. Но жизнь не всегда справедлива.

Нобелевская премия была присвоена троим ученым. Половину её получил 77-летний Джек Килби, а вторую половину разделили между академиком Российской академии наук Жоресом Алферовым и профессором Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, американцем немецкого происхождения Гербертом Кремером, за “развитие полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике”.

Оценивая эти работы, эксперты отметили, что “интегральные схемы есть, безусловно, открытие века, оказавшее сильнейшее влияние на общество и мировую экономику”. Для всеми забытого Дж. Килби присуждение Нобелевской премии оказалось сюрпризом. В интервью журналу Europhysics News он признался: “ В то время я лишь думал о том, что было бы важным для развития электроники с точки зрения экономики. Но я не понимал тогда, что снижение стоимости электронных изделий вызовет лавинный рост электронных технологий” .

А работы Ю. Осокина не оценены не только Нобелевским комитетом. Забыты они и в нашей стране, приоритет страны в создании микроэлектроники не защищен. А он бесспорно был.

В 1950-е годы была создана материальная основа для формирования в одном монолитном кристалле или на одной керамической подложке многоэлементных изделий – интегральных схем. Поэтому не удивительно, что почти одновременно идея ИС независимо возникла в головах многих специалистов. А оперативность внедрения новой идеи зависела от технологических возможностей автора и заинтересованности изготовителя, т. е. от наличия первого потребителя. В этом отношении Ю. Осокин оказался в лучшем положении, чем его американские коллеги. Килби был новичком в TI , ему даже пришлось доказывать руководству фирмы принципиальную возможность реализации монолитной схемы изготовлением её макета. Собственно роль Дж. Килби в создании ИС сводится к перевоспитанию руководства TI и в провокации своим макетом Р. Нойса к активным действиям. В серийное производство изобретение Килби не пошло. Р. Нойс в своей молодой и ещё не окрепшей компании пошёл на создание новой планарной технологии, которая действительно стала основой последующей микроэлектроники, но поддалась автору не сразу. В связи с вышесказанным им обоим и их фирмам пришлось потратить немало сил и времени для практической реализации своих идей по построению серийноспособных ИС. Их первые образцы остались экспериментальными, а в серийное производство пошли уже другие микросхемы, даже не ими разработанные. В отличие от Килби и Нойса, которые были далеки от производства, заводчанин Ю. Осокин опирался на промышленно освоенные полупроводниковые технологии РЗПП, и у него были гарантированные потребители первых ТС в виде инициатора разработки НИИРЭ и рядом расположенного завода ВЭФ, помогавших в данной работе. По этим причинам уже первый вариант его ТС сразу пошел в опытное, плавно перешедшее в серийное производство, которое непрерывно продолжалось более 30 лет. Таким образом, начав разработку ТС позже Килби и Нойса, Ю. Осокин (не зная об этом соревновании) быстро догнал их. Причём работы Ю. Осокина никак не связаны с работами американцев, свидетельство тому абсолютная непохожесть его ТС и реализованных в ней решений на микросхемы Килби и Нойса. Производство своих ИС Texas Instruments (не изобретение Килби), Fairchild и РЗПП начали почти одновременно, в 1962 году. Это дает полное право рассматривать Ю. Осокина одним из изобретателей интегральной схемы наравне с Р. Нойсом и более, чем Дж. Килби, а часть нобелевской премии Дж. Килби было бы справедливо поделить с Ю. Осокиным. Что же касается изобретения первой ГИС с двухуровневой интеграцией (а возможно и ГИС вообще) то здесь приоритет А. Пелипенко из НИИРЭ абсолютно бесспорен.

Автор благодарен Ю.В. Осокину , А.А. Васенкову и С.В. Якубовскому (с его богатым архивом в ЦКБ “Дейтон”, открытым для всех интересующихся историей), оказавшим неоценимую помощь в подготовке статьи.

К сожалению, не удалось найти образцов ТС и приборов на их основе, необходимых для музеев. Автор будет весьма признателен за такие образцы или их фотографии.

Статья помещена в музей 28.10.2008

Самая первая микросхема. Серии микросхем

Интегральная микросхема

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.

Советские и зарубежные цифровые микросхемы.

Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро )схе́ма (ИС, ИМС, м/сх ), чип , микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент ( год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

Уровни проектирования

  • Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
  • Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы , конденсаторы , резисторы и т. п.).
  • Логический — логическая схема (логические инверторы , элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
  • Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры , компараторы , шифраторы , дешифраторы , АЛУ и т. п.).
  • Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
  • Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста .

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

  • Генераторы сигналов
  • Аналоговые умножители
  • Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
  • Стабилизаторы источников питания
  • Микросхемы управления импульсных блоков питания
  • Преобразователи сигналов
  • Схемы синхронизации
  • Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы

  • Логические элементы
  • Буферные преобразователи
  • Модули памяти
  • (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
  • Однокристальные микрокомпьютеры
  • ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

  • Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
  • Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
  • Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Когда и кем была создана первая микросхема? а то мне говорят,что оптические приборы не позволяли лазером «нарезать» на монокристал

Еще в конце 40-х годов в Centralab были разработаны основные принципы миниатюризации и созданы ламповые толстопленочные гибридные схемы. Схемы выполнялись на единой подложке, а зоны контактов или сопротивления получались простым нанесением на подложку серебряной или типографской угольной краски. Когда же стала развиваться технология германиевых сплавных транзисторов, в Centralab было предложено монтировать бескорпусные приборы в пластиковую или керамическую оболочку, чем достигалась изоляция транзистора от окружающей среды. На этой основе можно было уже создавать транзисторные гибридные схемы, «печатные платы». Но, по сути дела, это был прообраз современного решения проблемы корпусирования и выводов интегральной схемы.
К середине 50-х годов Texas Instruments имела все возможности для производства дешевых полупроводниковых материалов. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из кремния, то резисторы в TI предпочитали делать из нитрида титана, а распределенные емкости — из тефлона. Неудивительно, что многие тогда полагали, что при накопленном опыте создания гибридных схем нет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы одинакового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость схемы будет значительно снижена. Этот подход очень напоминает предложенный Генри Фордом процесс конвейерной сборки автомашин.
Таким образом, в основе доминировавших тогда схемных решений лежали различные материалы и технологии их изготовления. Но англичанином Джеффом Даммером из Royal Radar Establishment в 1951 году было выдвинуто предположение о создании электроники в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев одного и того же материала, работающих как усилитель, резистор, емкость и соединенных вырезанными в каждом слое контактными площадками. Как это сделать практически, Даммер не указал.
Собственно, отдельные резисторы и емкости можно было делать из того же кремния, однако это было бы довольно дорогое производство. Кроме того, кремниевые резисторы и емкости были бы менее надежны, чем компоненты, изготовленные по стандартным технологиям и из привычных материалов, тех же нитрида титана или тефлона. Но так как все же имелась принципиальная возможность изготовить все компоненты из одного материала, то следовало бы подумать об их соответствующем электрическом соединении в одном образце.
24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название Идеи монолит (Monolithic Idea), в которой было указано, что Заслуга Килби — в практической реализации идеи Даммера.

Б. В. Малин

Недавно не стало Б. В. Малина – одного из первых российских специалистов в области микроэлектроники, разработчика и создателя первой серии отечественных интегральных схем.

Незадолго до кончины по просьбе редакции и сотрудников кафедры микроэлектроники МИФИ Борис Владимирович начал работу над статьёй о создании первой отечественной интегральной схемы.

Отдавая последний долг незаурядному человеку, специалисту, учителю, мы публикуем авторский набросок статьи, оставшейся, к сожалению, незавершённой.

А. Осипов, научный редактор

Предпосылки создания – наличие производства биполярных и униполярных транзисторов, теория расчёта таких транзисторов Шокли, Десея и Росса, Теснера. Разработки головного транзисторного института – НИИ-35 (НИИ «Пульсар»). В отечественной технологии разработки и производства транзисторов период до начала 60-х годов характерен использованием монокристаллов германия в качестве исходного материала и выпуск только биполярных транзисторов. Униполярные транзисторы не выпускались. Техника интегральных схем требовала наличия обоих типов транзисторов в качестве активных элементов микроэлектронных схем различного функционального назначения и внедрения технологии монокристаллов кремния. В период 1957–1961 гг. автором были разработаны германиевые униполярные транзисторы серии 339, и на основе этих работ была защищена диссертация.

Концепции миниатюризации и развития микроэлектроники – микромодульная техника и американский проект «Тинкертой» Армии США, освоенный в КБ-1. Одновременно с развитием производства биполярных транзисторов и их использования в оборонной и космической технике Головным транзисторным НИИ-35 развивалась техника и технология их схемотехнического применения, в первую очередь, в качестве стандартных конструктивных схемных элементов по программе микромодулей – основные разработчики Барканов (КБ-1) и Невежин (НИИ-35). В основе лежали принципы миниатюризации транзисторов и радиодеталей, а также принципы автоматизации сборки из миниатюрных стандартных деталей набора стандартных блоков различных схем (по типу проекта «Тинкертой» Армии США).

Освоение критической технологии на кремнии – планарная технология кремния. МЭП. Стратегическим прорывом в США в области создания транзисторов и интегральных схем надо считать разработку и производственное внедрение технологии на кремнии, особенно такой критической технологии как планарная. В отечественной производственной практике освоение планарной технологии практически было начато только в 1962 году с нулевого уровня.

Существенным толчком к развитию работ явилось изобретение кремниевых интегральных схем в 1959 году в США Джеком Килби и их производство американской фирмой «Тексас» для использования в системе наведения ракеты «Минитмен». Попытки создания объёмных интегральных отечественных схем на германии осуществлялись автором в НИИ-35 в 1959–1962 годах. С 1959 года разработки отечественных кремниевых интегральных схем, по сути дела, представляли собой непрерывный процесс конкурентной заочной борьбы с Джеком Килби.

Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта – методы так называемой «обратной инженерии» МЭП. Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США, и их копирование было строго регламентировано приказами МЭП (министр Шокин). Концепция копирования жёстко контролировалась министром на протяжении более 19 лет, в течение которых автор работал в системе МЭП, вплоть до 1974 года.

Это относилось не только к разработкам микроэлектроники, но и к созданию на её основе компьютерной техники, например, при воспроизводстве компьютеров серии IВМ-360 – (отечественная серия «РЯД 1-2»). Наибольшую технологическую помощь оказывал процесс копирования реальных действующих американских образцов кремниевых интегральных схем. Копирование осуществлялось после разгерметизации и снятия крышки с образца, копирования плоского (планарного) рисунка транзисторов и резисторов в схеме, а также после исследования под микроскопом структуры всех функциональных областей. Результаты копирования выпускались в виде рабочих чертежей и технологической документации.

Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов – эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты.

Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год). Анализ внедрения цикла планарной технологии (свыше 300 технологических операций) в отечественной практике показал, что эту критическую технологию пришлось осваивать с нулевого уровня и практически самостоятельно, без помощи извне, в том числе, и по технологическому оборудованию. Над решением этой проблемы работал коллектив в 250 человек научно-технологического отдела НИИ-35 и опытного цеха, специально созданного при отделе. Одновременно отдел служил полигоном для обучения специалистов многих предприятий МЭП, осваивавших эту технологию. Например, специалисты полупроводникового завода 2-го Главного управления МЭП в Воронеже (директор Колесников, ведущий – Никишин), обучались именно в этом отделе.

Основное внимание при разработке планарной технологии было уделено производственному освоению техники промышленной фотолитографии с высоким оптическим разрешением, вплоть до 1000–2000 линий на миллиметр. Эти работы велись в тесном взаимодействии со специалистами-оптиками из ЛИТМО (Капустина) и ГОИ (Ленинград).

Большую роль сыграли также разработки отдела по автоматизации планарной технологии и конструированию специального технологического оборудования (ведущий конструктор Захаров). Разрабатывались автоматизированные агрегаты пооперационной обработки кремниевых технологических пластин (отмывка, нанесение фоторезиста, конвейерное окисление и т.п.) на основе использования пневмоавтоматики и пневмоники.

В 1964 году научно-технологический отдел НИИ-35 по разработке интегральных схем посетил Председатель ВПК Смирнов. После этого визита отдел получил японское научное оборудование, которое было использовано в перспективных разработках. Весной 1965 года состоялся визит в опытный цех научно-технологического отдела НИИ-35 по разработке кремниевых интегральных схем Председателя Совета Министров Косыгина. За период разработки с 1962 по 1967 год автору, как начальнику отдела, приходилось неоднократно докладывать о ходе работ Председателю ГКНТ и зам. председателя СМ Рудневу, Президенту АН Келдышу, а также быть в постоянном контакте с отделом науки ВПК и оборонным отделом ЦК, в то время отделом авиационной техники Министерства обороны, руководившим организацией военной приёмки.

Создание Зеленограда. Зеленоград – центр микроэлектроники в составе 6 предприятий с опытными заводами, отечественный аналог Кремниевой долины в Калифорнии. Автор в начале 1963 года читал курс лекций действующему директору Зеленограда, зам. Министра МЭП Ф. В. Лукину, на основе которых составлялись технические предложения по развитию полупроводникового машиностроения для Зеленограда, в частности, по термическим процессам и фотолитографии (для директора Савина), для закупок технологического оборудования по импорту (группы Назарьяна и Стружинского), в том числе, для опытно-показательного завода во Фрязино.

Результаты разработок автора зафиксированы и подтверждаются рядом научно-технологических отчётов НИИ-35, авторскими свидетельствами, рядом статей, опубликованных в сборниках «Полупроводниковые приборы и их применение», «Микроэлектроника» и изданными книгами и брошюрами за период до 1974 года.

Всего лет двадцать пять назад радиолюбителям и специалистам старшего поколения пришлось заниматься изучением новых по тому времени приборов — транзисторов. Нелегко было отказываться от электронных ламп, к которым так привыкли, и переключаться на теснящее и все разрастающееся «семейство» полупроводниковых приборов.

А сейчас это «семейство» все больше и больше стало уступать свое место в радиотехнике и электронике полупроводниковым приборам новейшею поколения — интегральным микросхемам, часто называемым сокращенно ИМС.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

На аналоговой микросхеме

Из огромного «семейства» аналоговых самыми простыми являются микросхемы-близнецы» К118УН1А (К1УС181А) и К118УН1Б (К1УС181Б), входящие в серию К118.

Каждая из них представляет собой усилитель, содержащий… Впрочем, об электронной «начинке» лучше поговорить лозже. А пока будем считать их «черными ящичками» с выводами для подключения к ним источников питания, дополнительных деталей, входных и выходных цепей.

Разница же между ними заключается только в их коэффициентах усиления колебаний низких частот: коэффициент усиления микросхемы К118УН1А на частоте 12 кГц составляет 250, а микросхемы К118УН1Б — 400.

На высоких частотах коэффициент усиления этих микросхем одинаков — примерно 50. Так что любая из них может быть использована для усиления колебаний как низких, так и высоких частот, а значит, и для наших опытов. Внешний вид и условное обозначение этих микросхем-усилителей на принципиальных схемах устройств показаны на рис. 88.

Корпус у них пластмассовый прямоугольной формы. Сверху на корпусе — метка, служащая точкой отсчета номеров выводов. Микросхемы рассчитаны на питание от источника постоянного тока напряжением 6,3 В, которое подают через выводы 7 (+Uпит) и 14 (— U пит).

Источником питания может быть сетевой блок питания с регулируемым выходным напряжением или батарея, составленная из четырех элементов 334 и 343.

Первый опыт с микросхемой К118УН1А (или К118УН1Б) проводи по схеме, приведенной на рис. 89. В качестве монтажной платы используй картонную пластинку размерами примерно 50X40 мм.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным скобкам, пропущенным через проколы в картоне. Все они будут выполнять роль стоек, удерживающих микросхему на плате, а скобки выводов 7. и 14, кроме того, соединительными контактами с батареей GB 1 (или сетевым блоком питания).

Между ними с обеих сторон от микросхемы укрепи еще по два-три контакта, которые будут промежуточными для дополнительных деталей. Смонтируй на плате конденсаторы С1 (типа К50-6 или К50-3) и С2 (КЯС, БМ, МБМ), подключи к выходу микросхемы головные телефоны В2.

Ко входу микросхемы подключи (через конденсатор С1) электродинамический микрофон В1 любого типа или телефонный капсюль ДЭМ-4м, включи питание и, прижав поплотнее телефоны к ушам, постучи легонько карандашом по микрофону. Если ошибок в монтаже нет, в телефонах должны быть слышны звуки, напоминающие щелчки по барабану.

Попроси товарища сказать что-то перед микрофоном — в телефонах услышишь его голос. Вместо микрофона ко входу микросхемы можешь подключить радиотрансляционный (абонентский) громкоговоритель с его согласующим трансформатором. Эффект будет примерно таким же.

Продолжая опыт с телефонным устройством одностороннего действия, включи между общим (минусовым) проводником цепи питания и выводом 12 микросхемы электролитический конденсатор СЗ, обозначенный на схеме штриховыми линиями. При этом громкость звука в телефонах должна возрасти.

Телефоны станут звучать еще громче, если такой же конденсатор включить в цепь вывода 5 (на рис, 89 — конденсатор С4). Но если при этом усилитель возбудится, то между общим проводом и выводом 11 придется включить электролитический конденсатор емкостью 5 — 10 мкФ на. номинальное напряжение 10 В.

Еще один опыт: включи между выводами 10 и 3 микросхемы керамический или бумажный конденсатор емкостью 5 — 10 тыс. пикофарад. Что получилось? В телефонах появился непрекращающийся -звук средней тональности. С увеличением емкости этого конденсатора тон звука в телефонах должен понижаться, а с уменьшением повышаться. Проверь это.

А теперь раскроем этот «черный ящичек» и рассмотрим его «начинку» (рис. 90). Да, это двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между его транзисторами. Транзисторы кремниевые, структуры n-р- n . Низкочастотный сигнал, создаваемый микрофоном, поступает (через конденсатор С1) на вход микросхемы (вывод 3).

Падение напряжения, создающееся на резисторе R 6 в эмиттерной цепи транзистора V 2, через резисторы R 4 и R 5 подается на базу транзистора VI и открывает его. Резистор R 1 — нагрузка этого транзистора. Снимаемый с него усиленный сигнал поступает на базу транзистора V 2 для дополнительного усиления.

В опытном усилителе нагрузкой транзистора V 2 были головные телефоны, включенные в его коллекторную цепь, которые преобразовывали низкочастотный сигнал в звук.

Но его нагрузкой мог бы быть резистор R 5 микросхемы, если соединить вместе выводы 10 и 9. В таком случае телефоны надо включать между общим проводом и точкой соединения этих выводов через электролитический конденсатор емкостью в несколько микрофарад (положительной обкладкой к микросхеме).

При включении конденсатора между общим проводом и выводом 12 микросхемы громкость звука увеличилась, Почему? Потому что он, шунтируя резистор R 6 микросхемы, ослабил действующую в ней отрицательную обратную связь по переменному току.

Отрицательная обратная связь стала еще слабее, когда ты второй конденсатор включил в базовую цепь транзистора V 1. А третий конденсатор, включенный между общим проводом и выводом 11, образовал с резистором R 7 микросхемы развязывающий фильтр, предотвращающий возбуждение усилителя.

Что получилось при включении конденсатора между выводами 10 и 5? Он создал между выходом и входом усилителя положительную обратную связь, которая превратила его в генератор колебаний звуковой частоты.

Итак, как видишь, микросхема К118УН1Б (или К118УН1А) — это усилитель, который может быть низ-кочастотным или высокочастотным, например, в приемнике. Но он может стать и генератором электрических колебаний как низких, так и высоких частот.

Микросхема в радиоприемнике

Предлагаем испытать эту микросхему в высокочастотном тракте приемника, собранного, например, по схеме, приведенной на рис. 91. Входной контур магнитной антенны такого приемника образуют катушка L 1 и конденсатор переменной емкости С1. Высокочастотный сигнал радиостанции, на волну которой контур настроен, через катушку связи L 2 и разделительный конденсатор С2 поступает на вход (вывод 3) микросхемы Л1.

С выхода микросхемы (вывод 10, соединенный с выводом 9) усиленный сигнал подается через конденсатор С4 на детектор, диоды VI и V 2 которого включены по схеме умножения напряжения, а выделенный им низкочастотный сигнал телефоны В1 преобразуют в звук. Приемник питается от батареи GB 1, составленной из четырех элементов 332, 316 или пяти аккумуляторов Д-01.

Во многих транзисторных приемниках усилитель высокочастотного тракта образуют транзисторы, а в этом — микросхема. Только в этом и заключается разница между ними. Имея опыт предыдущих практикумов, ты, надеюсь, сможешь самостоятельно смонтировать иг наладить такой приемник и даже, если пожелаешь, дополнить его усилителем НЧгдля громкоговорящего радиоприема.

На логической микросхеме

Составной частью многих цифровых интегральных микросхем является логический элемент И-НЕ, условное обозначение которого ты видишь на рис. 92, а. Его символом служит знак «&», помещаемый внутри прямоугольника, обычно в верхнем левом углу, заменяющий союз «И» в английском языке. Слева два или больше входов, справа — один выход.

Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое Отрицание «НЕ» на выходе микросхемы. На языке цифровой техники «НЕ» означает, что элемент И-НЕ является инвертором, то есть устройством, выходные параметры которого противоположны входным.

Электрическое состояние и работу логического элемента характеризуют уровнями сигналов на его входах и выходе. Сигнал небольшого (или нулевого) напряжения, уровень которого не превышает 0,3 — 0,4 В, принято (в соответствии с двоичной системой счисления) называть логическим нулем (0), а сигнал более высокого напряжения (по сравнению с логическим 0), уровень которого может быть 2,5 — 3,5 В, — логической единицей (1).

Например, говорят: «на выходе элемента логическая 1». Это значит, что в данный момент на выходе элемента появился сигнал, напряжение которого соответствует уровню логической 1.

Чтобы не углубляться в технологию и устройство элемента И-НЕ, будем рассматривать его как «черный ящичек», у которого для электрического сигнала есть два входа и один выход.

Логика же элемента заключается в том, что при подаче на один из его входов логического О, а на второй вход логической 1, на выходе появляется сигнал логической 1, который исчезает при подаче на оба входа сигналов, соответствующих логической 1.

Для опытов, закрепляющих в памяти это свойство элемента, потребуются наиболее распространенная микросхема К155ЛАЗ, вольтметр постоянного тока, свежая батарея 3336Л и два резистора сопротивлением 1…1,2 кОм.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из четырех элементов 2И-НЕ (рис. 92, б), питающихся от одного общего источника постоянного тока напряжением 5 В, но каждый из них работает как самостоятельное логическое устройство. Цифра 2 в названии микросхемы указывает на то, что ее элементы имеют по два входа.

Внешним видом и конструктивно она, как и все микросхемы серии К155, не отличается от уже знакомой тебе аналоговой микросхемы К118УН1, только полярность подключения источника питания иная. Поэтому сделанная ранее тобой картонная плата подойдет и для опытов с этой микросхемой. Источник питания подключают: +5 В — к выводу 7» — 5 В — к выводу 14.

Но эти выводы не принято обозначать на схематическом изображении микросхемы. Объясняется это тем, что на принципиальных электрических схемах элементы, составляющие микросхему, изображают раздельно, например, как на рис. 92, в. Для опытов можно использовать любой из ее четырех элементов.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным стойкам на картонной плате (как на рис. 89). Один из входных выводов любого из ее элементов, например, элемента с выводами 1 3, соедини через ре-.зистор сопротивлением 1…1.2 кОм с выводом 14, вывод второго входа — непосредственно с общим («заземленным») проводником цепи питания, а к выходу элемента подключи вольтметр постоянного тока (рис. 93, а).

Включии питание. Что показывает вольтметр? Напряжение, равное примерно 3 В. Это напряжение соответствует сигналу логической 1 на выходе элемента. Тем же вольтметром измерь напряжение на выводе первого входа, И здесь, как видишь, тоже логическая 1. Следовательно, когда на одном из входов элемента логическая 1, а на втором логический 0, на выходе будет логическая 1.

Теперь вывод и второго входа соедини через резистор сопротивлением 1…1.2 кОм с выводом 14 и одновременно проволочной перемычкой — с общим проводником, как показано на рис. 93, б.

При этом на выходе, как и в первом опыте, будет логическая 1. Далее, следя за стрелкой вольтметра, удали проволочную перемычку, чтобы и на второй вход подать сигнал, соответствующий логической 1.

Что фиксирует вольтметр? Сигнал на выходе элемента преобразовался в логический 0. Так оно и должно быть! А если любой из входов периодически замыкать на общий провод и тем самым имитировать подачу на него логического 0, то с такой же частотой на выходе элемента станут появляться импульсы тока, о чем будут свидетельствовать колебания стрелки вольтметра. Проверь это опытным путем.

Свойство элемента И-НЕ изменять свое состояние под воздействием входных управляющих сигналов широко используется в различных устройствах цифровой вычислительной техники. Радиолюбители же, особенно начинающие, очень часто используют логический элемент как инвертор — устройство, сигнал на выходе которого противоположен входному сигналу.

Подтвердить такое свойство элемента может следующий опыт. Соедини вместе выводы обоих входов элемента и через резистор сопротивлением 1…1,2 кОм подключи их к выводу 14 (рис. 93, в).

Так ты подашь на общий вход элемента сигнал, соответствующий логической 1, напряжение которого можно измерить вольтметром. Что при этом получается на выходе?

Стрелка вольтметра, подключенного к нему, чуть отклонилась от нулевой отметки шкалы. Здесь, следовательно, как и предполагалось, сигнал соответствует логическому 0.

Затем, не отключая резистор от вывода 14 микросхемы, несколько раз подряд замкни проволочной перемычкой вход элемента на общий проводник (на рис. 93, в показано штриховой линией со стрелками) и одновременно следи за стрелкой вольтметра. Так ты убедишься в том, что когда на входе инвертора логический 0, на выходе в это время логическая 1 и, наоборот, когда на входе логическая 1 — на выходе логический 0.

Так работает инвертор, особенно часто используемый радиолюбителями в конструируемых ими импульсных устройствах.

Примером такого устройства может служить генератор импульсов, собранный по схеме, приведенной на рис. 94. В его работоспособности ты можешь убедиться сейчас же, затратив на это всего несколько минут.

Выход элемента D1.1 соедини с входами элемента D 1.2 той же микросхемы, его выход — с входами элемента DJ .3, а выход этого элемента (вывод 8) — с входом элемента D 1.1 через переменный резистор R1. К выходу элемента D 1.3 (между выводом 8 и общим проводником) подключи головные телефоны B 1, a параллельно элементам D1.1 и D 1.2 электролитический конденсатор С1.

Движок переменного резистора установи в правое (по схеме) положение и включи питание — в телефонах услышишь звук, тональность которого можно изменять переменным резистором.

В этом эксперименте элементы D 1.1, D 1.2 и D 1.3, соединенные между собой последовательно, подобно транзисторам трехкаскадного усилителя, образовали мультивибратор — генератор электрических импульсов прямоугольной формы.

Микросхема стала генератором благодаря конденсатору и резистору, создавшим между выходом и входом элементов частотозависимые цепи обратной связи. Переменным резистором частоту импульсов, генерируемых мультивибратором, можно плавно изменять примерно от 300 Гц до 10 кГц.

Какое практическое применение может найти такое импульсное устройство? Оно может стать, например, квартирным звонком, пробником для проверки работоспособности каскадов приемника и усилителя НЧ, генератором для тренировок по приему на слух телеграфной азбуки.

Самодельный игровой автомат на микросхеме

Подобное устройство можно превратить в игровой автомат «Красный или зеленый?». Схема такого имлульсного устройства приведена на рис. 95. Здесь элементы D 1.1, D 1.2, D 1.3 той же (или такой же) микросхемы К155ЛАЗ и конденсатор С1 образуют аналогичный мультивибратор, импульсы которого управляют транзисторами VI и V 2, включенными по схеме с общим эмиттером.

Элемент D 1.4 работает как инвертор. Благодаря ему импульсы мультивибратора поступают на базы транзисторов в противофазе и открывают их поочередно. Так, например, когда на входе инвертора уровень логической 1, а на выходе уровень логического 0, то в Эти моменты, времени транзистор В1 открыт и лампочка HI в его коллекторной цепи горит, а транзистор V 2 закрыт и его лампочка Н2 не горит.

При следующем импульсе инвертор изменит свое состояние на обратное. Теперь откроется транзистор V 2 и загорится лампочка Н2, а транзистор VI закроется и лампочка H 1 погаснет.

Но частота импульсов, генерируемых мультивибратором, сравнительно высокая (не меньше 15 кГц) и лампочки, естественно, не могут реагировать на каждый импульс.

Поэтому они светятся тускло. Но стоит нажать на кнопку S1, чтобы ее контактами замкнуть накоротко конденсатор С1 и тем самым сорвать генерацию мультивибратора, как тут же ярко загорится лампочка того из транзисторов, на базе которого в этот момент окажется напряжение, соответствующее логической 1, а другая лампочка совсем погаснет.

Заранее невозможно сказать, какая из лампочек после нажатия на кнопку будет продолжать гореть — можно только гадать. В этом смысл игры.

Игровой автомат вместе с батареей питания (3336Л или три элемента 343, соединенные последовательно) можно разместить в коробке небольших размеров, например в корпусе «карманного» приемника.

Лампочки накаливания HI и Н2 (МН2,5-0,068 или МН2,5-0,15) размести под отверстиями в лицевой стенке корпуса и закрой их колпачками или пластинками органического стекла красного и зеленого цветов. Здесь же укрепи выключатель питания (тумблер ТВ-1) и кнопочный выключатель §1 (типа П2К или КМ-Н) остановки мультивибратора.

Налаживание игрового автомата заключается в тщательном подборе резистора R 1. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при остановке мультивибратора кнопкой S 1 по крайней мере 80 — 100 раз число загораний каждой из лампочек было примерно одинаково.

Сначала проверь, работает ли мультивибратор. Для этого параллельно конденсатору С1, е,мкость которого может быть 0,1…0,5 мкФ, подключи электролитический конденсатор емкостью 20…30 мкФ, а к выходу мультивибратора головные телефоны — в телефонах должен появиться звук низкой тональности.

Этот звук — признак работы мультивибратора. Затем удали электролитический конденсатор, резистор R 1 замени подстроечным резистором сопротивлением 1,2…1,3 кОм, а между выводами 8 и 11 элементов DI .3 и D 1.4 включи вольтметр постоянного тока. Изменением сопротивления подстро-ечного резистора добейся такого положения, чтобы вольтметр показывал нулевое напряжение между выходами этих элементов микросхемы.

Число играющих может быть любое. Каждый по очереди нажимает на кнопку остановки мультивибратора. Выигрывает тот, кто при равном числе ходов, например двадцати нажатий на кнопку, большее число раз угадает цвета загорающихся лампочек после остановки мультивибратора.

К сожалению, частота мультивибратора описанного здесь простейшего игрового автомата из-за разрядки батареи несколько изменяется, что, конечно, сказывается на равновероятности зажигания разных лампочек, поэтому лучше питать его от источника стабилизированного напряжения 5 В.

Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Первая полупроводниковая интегральная микросхема Джека Килби September 12th, 2018

12 сентября 1958 года Джек С. Килби продемонстрировал первую рабочую интегральную схему на фирме Texas Instruments (США). Впервые электронные компоненты были интегрированы на одной подложке. Это устройство представляло собой генератор на крошечной пластине германия размером 11,1 мм на 1,6 мм. Сегодня интегральные схемы являются фундаментальными строительными блоками практически всего электронного оборудования.
За изобретение интегральной схемы Джек Килби был награжден Нобелевской премией по физике в 2000 году и Национальной Медалью в области науки в 1970 году, а в 1982 году он был включен в число почетных изобретателей Национального Зала Славы США.

Джек Килби с раскрытым лабораторным журналом, на страницах которого описание первой интегральной схемы, им созданной.


Это первая интегральная микросхема Джека Килби.

В СССР в 1963 году был создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде. В 1964 году там на заводе “Ангстрем” были разработаны первые интегральные схемы «Тропа» (серия 201), «Посол» (серия 217), выполненные по гибридно-пленочной технологии с использованием бескорпусных транзисторов. На заводе «Микрон» в Зеленограде в конце 60 г. была применена технология и начат выпуск первых монолитных интегральных микросхем. Вот паспорт на опытную партию первых микросхем из «Микрона» по теме «Логика-1»

А это сама микросхема, паспорт которой я привел

За ней последовала «Логика-2» (133 серия — аналог серии SN54 фирмы Texas Instruments). В частности, знаменитая микросхема М3300 или более известная, как 1ЛБ333, аналог SN5400, позже стала называться 133ЛА3 или в пластмассовом корпусе К155ЛА3 (SN7400) имела дальнейшее продолжение, как и ее американские аналоги в части усовершенствования этой серии по быстродействию в теме «Ярус» — 530ЛА3 (SN54S00), экономичности в теме «Исида КС» — 533ЛА3 (SN54LS00) и т.д. Как тут не вспомнить статью Малина Б.В., который писал: «Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта — методы так называемой «обратной инженерии» МЭП. Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США, и их копирование было строго регламентировано приказами МЭП (министр Шокин). Концепция копирования жёстко контролировалась министром на протяжении более 19 лет, в течение которых автор работал в системе МЭП, вплоть до 1974 года…»
В 1973 году было положено начало разработки электронных часов на «Пульсаре» . Научный руководитель разработки д.т.н, проф. Докучаев Юрий Петрович. Внутренний вид первых советских КМОП электронных часов «Электроника-1» показан на фото.

В том же 1973 году На «Ангстреме» был освоен серийный выпуск первого советского КМОП калькулятора

В 1980 году заводом “Микрон” изготовлена 100 000 000 интегральная микросхема, а на заводе “Ангстрем” в 1985 году стал серийно выпускаться карманный 16 разрядный персональный компьютер «Электроника-85» с жидкокристаллическим дисплеем.


Короче, в середине 80 годов наблюдается пик в развитии советской радиоэлектроники. Об этом говорит уникальный полет и автоматическая посадка космического корабля «Буран», в бортовом компьютере «Бисер-4» которого использовались отечественные микропроцессоры. А в той же Риге освоен выпуск первых отечественных сигнальных процессоров по темам «Рина», «Райта» и «Розите».
А это фото уникальной электронной записной книжки, которая вручалась делегатам 27 съезда КПСС в феврале 1986г.

Что же было потом? С приходом во власть Горбачева, советская электроника стала буквально на глазах рушится. Но что странно, всё, о чем говорил этот последний генеральный секретарь, было прогрессивно, например, на 27 съезде КПСС в 1986 году, он провозгласил программу ускорения научно-технического прогресса, а ведь на деле происходило совсем другое. Началось прогрессивное разворовывание государственной собственности, остановка предприятий, не выплата зарплат, хаос и, наконец, распад СССР.
Впрочем, это уже другая история.

Цифровая интегральная схема — Цифровая микросхема

Цифровая интегральная микросхема

Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочи́п (англ. microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Бо́льшая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС, чипом) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

Изобретение интегральной схемы

7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС) . Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска . Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированых на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом ). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни. 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961—1962 парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработаной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) — исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964—1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон»). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Уровни проектирования

  • Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
  • Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
  • Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
  • Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
  • Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
  • Программный уровень — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель используя виртуальную схему.

В настоящее время большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

  • В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:
  • малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,
  • средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,
  • большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,
  • сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

  • Операционные усилители.
  • Компараторы.
  • Генераторы сигналов.
  • Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).
  • Аналоговые умножители.
  • Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители.
  • Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.
  • Микросхемы управления импульсных блоков питания.
  • Преобразователи сигналов.
  • Схемы синхронизации.
  • Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

  • Логические элементы
  • Триггеры
  • Счётчики
  • Регистры
  • Буферные преобразователи
  • Шифраторы
  • Дешифраторы
  • Цифровой компаратор
  • Мультиплексоры
  • Демультиплексоры
  • Сумматоры
  • Полусумматоры
  • Ключи
  • АЛУ
  • Микроконтроллеры
  • (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)
  • Однокристальные микрокомпьютеры
  • Микросхемы и модули памяти
  • ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

  • Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
  • Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
  • Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

  • цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).
  • Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).
  • Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).
  • Модуляторы и демодуляторы.
    • Радиомодемы
    • Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
    • Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий
    • Dial-Uli модемы
    • Приёмники цифрового ТВ
    • Сенсор оптической мыши
  • Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах
  • Цифровые аттенюаторы.
  • Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.
  • Коммутаторы.
  • Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации
  • Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Галерея

История интегральной схемы

История интегральной схемы или сокращенно «микросхемы» тесно связана с изобретениями других электронных компонентов. Ее начало положила история создания транзистора, история диода и других компонентов, без которых попросту не было бы микросхемы. Рассмотрим, как все это было.

Вообще идея объединения нескольких элементов в одну микроскопическую структуру, функционирующую как одна единая электрическая цепь и даже как целое электронное устройство, возникала в умах ученых и изобретателей задолго до того, как был представлен первый прототип интегральной схемы. Все началось как только был создан первый полупроводниковый элемент – транзистор и как только его создатели Джон Бардин, Уильям Шокли и Улотер Браттейн поняли кокой прорыв в практической электронике сделает уже в недалеком будущем их устройство.

Однако впервые логически сформулировал идею объединения нескольких электронных компонентов на одном кристалле полупроводника 7 мая 1952 года британский радиотехник, исследователь и изобретатель Джеффри Даммер. Правда эта несомненно светлая и великая мысль на протяжении более 6 лет так и оставалась просто хорошей идеей, так как технологии того времени пока не позволяли реализовать ее на практике.

Настоящий прорыв в этой области произошел лишь в конце 1958 года, когда практически одновременно несколько талантливых ученых-практиков нашли решения, как реализовать идею Джефри Даммера. Трудно поверить, что спустя лишь полвека после этого электронные устройства стали работать на микросхемах, сложность которых в миллионы раз больше самой первой конструкции.

Одним из них был талантливый Джек Килби, который только летом перешел на работу в интенсивно развивающуюся в то время компанию по производству электронных компонентов – Texas Instruments и уже осенью представил первый прототип интегральной микросхемы.

А все произошло, можно сказать, чисто случайно. Дело в том, что новым работникам не был положен отпуск в компании, а практически все остальные в июле ушли на две недели отдыхать. И Джек Килби был предоставлен самому себе, причем в его распоряжении была ультрасовременная на тот момент исследовательская лаборатория. Именно в июле 1958 года Килби сделал свою, ставшую позже знаменитой, запись в журнале. Это выражение: «Следующие электронные компоненты можно сделать на одной плате: сопротивления, конденсаторы, транзисторы», будут цитировать и когда изобретателю торжественно вручат Нобелевскую премию в 2000 году.

Уже в сентябре 1958 года Джек Килби представил своему начальнику из Texas Instruments Уллису Эдоку первый рабочий прототип интегральной схемы. Это было неказистое с виду устройство, состоящее из длинного кусочка кремния размером с зубочистку, с торчащими во все стороны золотыми проволочками.

В марте 1959 года Texas Instruments подала заявку на патент уже усовершенствованной модели твердотельной микросхемы, которую можно было изготавливать серийно.

Однако, как это часто бывает, Джек Килби был не единственным, у кого в то время возникла идея создать реально работающее устройство на одном кристалле полупроводника. Двумя месяцами позже, примерно в августе-сентябре 1958 года Роберт Нойс из компании Fairchild и его коллега Джин Хортни придумали свою версию первой твердотельной микросхемы. Конструкция их устройства была куда более практичной.

Так, Хортни предложил покрыть кремний тонким слоем окиси, подобно тому как праздничный торт покрывают глазурью. Изначально это было сделано для того, чтобы защитить полупроводниковый переход от воздействия пыли и других неблагоприятных факторов окружающей среды, негативно влияющих на работу транзистора.

Однако потом Джин Хортни предложил вытравливать в слое окиси окошки и осаждать на полупроводниковый кристалл различные примеси, чтобы создать на нем различные по функционалу электронные компоненты. Тем самым отпадала необходимость использования золотых проволочек для соединения всех компонентов в электрическую цепь.

Вот такая вот история!

< Предыдущая   Следующая >

История компании | Integral

1961    Начато строительство главного корпуса и здания заводоуправления  

1963    Введен в строй «Завод полупроводниковых приборов » им. Ф.Э. Дзержинского (г. Минск)

1963    Начато строительство лампового завода «Транзистор» (г. Минск)

1963    Первые опытные партии диодов

1965    Первые транзисторы

1968    Введен в строй и выпустил первую продукцию — транзисторы — завод «Транзистор» (г. Минск)

1969    Начато серийное производство интегральных микросхем

1971    Образовано НПО «Интеграл»

1972    Создано специальное конструкторско-технологическое бюро (СКТБ) НПО «Интеграл»

1973    Изготовлены первые отечественные электронные наручные часы «Секунда-2»

1974    Орден Октябрьской Революции за разработку и создание аппаратуры для исследования космического пространства

1977    Первая интегральная микросхема запоминающего устройства

1978    Первый микропроцессор

1978    Введен в строй завод «Электроника» (г. Минск)

1979    Введен в строй завод «Камертон» (г. Пинск)

1981    Орден Ленина за разработку и производство электронных блоков для наземного комплекса многоразовой космической системы

1982    Логические интегральные микросхемы (ИМС) серии ALS

1983    Введен в строй завод «Цветотрон» (г. Брест)

1986    Создано «СКБ Запад» (г. Брест)

1988    Первые микро-ЭВМ

1990    ИМС для телефонии

1991    Создано «СКБ Немига» (г. Минск)

1992    Электронные изделия для банков и торговли

1992    Первый телефонный аппарат

1993    ИМС для калькуляторов

1994    Логические ИМС серии HC/HCT,  AC/ACT,  4000B, микросхемы EEPROM

1995    ИМС для одноплатного телевизора 6-го поколения

1995    Телефонные пластиковые карты

1999    Система качества сертифицирована на соответствие требованиям национальных и международных стандартов ISO серии 9001

2000    Изгтовлены сложнофункциональные СБИС для бытовый электроники

2001    Разработаны быстродействующие и сверхбыстродействующие диоды (FRD & UFRD)

2001    Освоены специализированные микросхемы для автоэлектроники

2002    Разработана ИМС телевизионного процессора ILA8842

2003    Открыты представительства НПО «Интеграл» в Китае, Индии

2005    Начато массовое производство мощных полевых транзисторов типа MOSFET 

2005   Разработана СБИС для спутника «БелКа»

2006   Начато серийное производство ИМС с проектной нормой 0,8 мкм

2007    Начато производство сложнофункциональных  изделий медтехники

2008    Начато производство запоминающих устройств специального назначения информационной емкостью256К  

2009    Разработаны ИМС с проектной нормой 0,35 мкм

2010   Изготовлены опытные образцы запоминающихся устройств емкостью 1 Мбит 

2010   Начато серийное производство ИМС на пластинах диаметром 200 мм

2010   Создано ОАО «ИНТЕГРАЛ»  

2011  Освоено 5 изделей с проектными нормами 0,35 мкм: IN1307, IN1356-микросхемы часов реального времени, IZ1325-высокоточная термокомпенсированная микросхема часов реального времени, IZ8563-КМОП БИС таймера с ОЗУ с управлением по I2C шине, IZ2009-микросхема для систем аутентификации с однопроводным интерфейсом с блоком   EEPROM, по которым ведется изготовление коммерческих партий.

2011  На созданном субмикронном производстве произведено и отгружено продукции на сумму 4,5 млн.долл.США

2012  В рамках программы «БКА» для спутника дистанционного зондирования земли изготовлены микросборки и интегральные сборки фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) 

2013 Министерство экономики Республики Беларусь 14 июня 2013г. зарегистрировало холдинг «ИНТЕГРАЛ» в государственном реестре холдингов за № 62. 

2014 Разработана и освоена в серийном производстве многокристальная сборка КМОП СБИС ОЗУ емкостью 16 Мбит. Разработан и освоен в серийном производстве комплект микросхем серии 5584 для космического применения, 23 типа. Разработан мобильный аппарат искусственной вентиляции легких.

2015 Микросхема СОЗУ емкостью 1 Мбит (128Кх8) бит К1643РА014, изготовленная по технологии «кремний на изоляторе». Программно-аппаратный комплекс идентификации железобетонных изделий. Система светодиодного освещения для птицефабрик с функцией «рассвет-день-закат». Серия кремниевых лавинных фотодиодов для ближней инфракрасной области спектра. Комплект мультиплексоров-коммутаторов для охлаждаемых и неохлаждаемых фотоприемных устройств.

2016 Микросхема программируемого цифрового термометра с EEPROM и последовательным интерфейсом. Микросхемы статистического оперативного запоминающего устройства с информационной емкостью 4Мбит (512 Кбит х 8 , 256 Кбит х 16, 12 Кбит х 32). Микросхема параллельно-последовательного преобразователя с передатчиком стандарта LVDS. Микросхема приёмника стандарта LVDS c последовательно-параллельным преобразователем. 

2017  Микросхема цифрового датчика-измерителя температуры промышленного диапазона. Комплекты интерфейсных приемо-передатчиков манчестерского кода с напряжением питания 3 В и  5 В в микрокорпусах для применения в составе телекоммуникационных систем.

2018  Разработаны: комплект микросхем супервизоров питания с двумя фиксированными каналами и одним настраиваемым каналом; комплект микросхем супервизоров питания с встроенными функциями ручного сброса и сторожевого таймера; микросхема однократно электрически программируемого ПЗУ емкостью 1 Мбит с питанием 3,0-3,6 В, устойчивой к СВВФ.

2019  Разработаны: ИС цифрового датчика температуры специального применения, с интерфейсом типа «1-Wire» в металлокерамическом корпусе; низковольтные быстродействующие приемопередатчики интерфейса RS 485/422 (полный дуплекс), устойчивые к СВВФ; микросхема шестнадцатиразрядного двунаправленного
приемопередатчика с возможностью преобразования уровней.
— микросхема измерительного операционного усилителя, устойчивого к СВВФ;
— микросхема 12-разрядного восьмиканального АЦП с SPI интерфейсом.

 

В этот день в 1958 году инженер TI изобрел чип, изменивший мир

Компания Texas Instruments чествует человека из Северного Техаса, который сделал возможной интегральную схему — микрочип. 12 сентября 1958 года Джек Килби, инженер TI, изобрел интегральную схему.

Это произведет революцию в электронной промышленности, помогая сделать сотовые телефоны и компьютеры широко распространенными сегодня.

Чтобы почтить его память, Texas Instruments провела свой первый День Джека Килби в пятницу, 9 сентября.12, 2014.

Килби быстро добился успеха на TI. Всего через несколько месяцев после того, как он присоединился к компании в Далласе в 1958 году, 12 сентября он провел успешную лабораторную демонстрацию своего первого микрочипа.

Позже Килби помог изобрести ручной калькулятор и термопринтер, используемые в портативных терминалах данных.

В 2000 году Килби получил Нобелевскую премию по физике.

Килби умер в 2005 году после непродолжительной борьбы с раком. Ему был 81 год.

Что, если бы он уехал в отпуск?

Укажите отпускную политику Texas Instruments за участие в изобретении.В то время сотрудники TI должны были взять двухнедельный отпуск летом. Килби пробыл в компании недостаточно долго, чтобы уйти в отпуск. Так что у него было две недели простоя на TI. За это время он начал работать над интегральной схемой.

Что было бы, если бы Килби уехал в отпуск?

«Чип, который построил Джек»

Посмотрите это короткое видео KERA, выпущенное в 2009 году, в котором рассказывается о Килби и его интегральной схеме.

Посмотрите на первую интегральную схему

Кредит Техас Инструментс

/

Это первая интегральная схема Джека Килби.Он изобрел его в Texas Instruments в 1958 году. Из TI: «Изобретение Килби, состоящее только из транзистора и других компонентов на кусочке германия, размером 7/16 на 1/16 дюйма, произвело революцию в электронной промышленности. Корни почти каждого электронного устройства, которое мы считаем само собой разумеющимся сегодня, можно проследить до Далласа более 40 лет назад».

Конкуренция: Другой изобретатель

Вскоре после того, как Килби создал свой микрочип, Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor создал собственную версию интегральной схемы.Считалось, что Noyce проще в производстве.

The New York Times  отметила в 2005 году: «В 1959 году г-н Килби и доктор Нойс, работавшие тогда в Fairchild Semiconductor, были названы изобретателями в заявках своих компаний на получение патента на интегральную схему. После многих лет судебных баталий Fairchild и Texas Instruments решили перекрестно лицензировать свои технологии, что в конечном итоге привело к созданию мирового рынка информационных отраслей, стоимость которого сейчас превышает 1 триллион долларов в год».

Мировой герой

Т.Р. Рейд, автор книги «Чип », предложил эту точку зрения в видеоролике KERA: «Если вы оглянетесь назад на первую большую волну американских инноваций — я говорю о Томасе Эдисоне, Александре Грэме Белле, Генри Форде, инженерах, которые изменил повседневную жизнь мира с хорошей идеей. Они были мировыми героями. Джек Килби изменил повседневную жизнь мира так же впечатляюще, как это сделали Томас Эдисон и Генри Форд, и никто никогда о нем не слышал. … Наверное, самый непритязательный нобелевский лауреат в истории физики.

Задача: «Тирания чисел»

Кредит Техас Инструментс

/

От Texas Instruments: Джек Килби записал успешную демонстрацию первой интегральной схемы в свой инженерный блокнот. Подпись Дж. С. Килби, страница в его блокноте датирована 12 сентября 1958 года.

Рейд продолжил: «В начале 50-х можно было спроектировать компьютер, который мог бы делать что угодно, но не построить его.Было слишком много отдельных частей, которые нужно было связать вместе. Просто количество деталей и соединений было слишком велико. Обычным названием этой проблемы была тирания чисел. Мы можем воспринимать это устройство, но не можем построить его, потому что количество слишком велико. Джек Килби был среди инженеров всего мира, искавших решение проблемы».

Решение: Один чип

Рид: «В то время каждый компьютер имел много миль проводов внутри. Джек сказал: «Зачем нам провода? Если я буду делать детали из одного и того же материала, Я мог бы вырезать их в блок из этого материала и без проводов.’ Это была совершенно безумная идея. Никто никогда не думал об этом раньше. Джек Килби взял тиранию чисел и свел число к единице. Одна микросхема со всеми деталями на ней и без проводов. Это было его решением. Как только вы это сделаете, вы сможете поместить компьютер в носовой обтекатель ракеты, которая доставит вас на Луну».

Влияние Килби

«Влияние идеи Джека Килби на мир было впечатляющим», — сказал Рид в видео KERA. «Если бы не интегральная схема, обещание Джека Кеннеди о том, что мы отправимся на Луну через десятилетие, не сбылось… Трудно представить себе какой-либо научный или инженерный прорыв в 20 веке, который оказал бы большее влияние на жизни, чем микрочип.»

«Очень практичный человек»

Джанет Килби, дочь Джека Килби.

Джанет Килби размышляет о жизни со своим отцом, Джеком Килби. «Я никогда не понимала, что чужие отцы не могут починить телевизор, — сказала она в видео KERA. боялся, что он собирается убить себя электрическим током».

Она добавила: «У моего отца было более 50 патентов, но я думаю, что его любимым изобретением был чип.Потому что это было полезно. Он был очень практичным человеком. Он всегда говорил, что каждый должен вносить свой вклад в жизнь, и я думаю, именно это действительно подпитывало его изобретательность».

Своими словами

Когда Килби получил Нобелевскую премию, он написал о своей жизни. Прочтите это здесь.

Подробнее

Узнайте больше о Килби и его изобретении на веб-сайте TI.

О Дне Джека Килби 2014

Город Даллас издал прокламацию, объявляющую12 как Джек Килби Дэй. В честь этого Нобелевская премия Килби была выставлена ​​в кампусе TI Forest Lane в Далласе.

TI отметила этот день в социальных сетях хэштегом #JackKilbyDay. Сотрудники TI носили рубашки Jack Kilby Day и копии его характерных очков. Они также отпраздновали это фотостанцией, где делали селфи в очках Килби.

Видео: TI чествует Джека Килбиyoutube.com/watch?v=2mez_HRrsXk

Ресурсы

Джек Килби и первая в мире интегральная схема

Джек Килби из Texas Instruments получил 60 патентов, изобрел портативный калькулятор и получил Нобелевскую премию. Но у него было еще одно изобретение, которое изменило электронику и мир.

Джек Килби начал свою карьеру в компании Texas Instruments в 1958 году, где он изобрел, пожалуй, самое важное изобретение 20-го века: интегральную схему, также известную как микрочип.

Интегральная схема позволила миниатюризировать электронные устройства, что делает возможным создание большинства наших современных бытовых электронных устройств. На протяжении всей своей карьеры он добился многих достижений, включая Нобелевскую премию мира по физике, Национальную медаль науки, Почетную медаль IEEE, премию Чарльза Старка Дрейпера, премию компьютерного пионера, премию Киото и даже был профессором электротехники. в Техасе A&M.

И, несмотря на все его достижения, сверстники всегда отмечали скромность и доброту Килби.

Невозможно рассказать все о Джеке Килби в одной статье, поэтому мы сосредоточимся на его разработке первой в мире интегральной схемы.

Тирания чисел и первая в мире интегральная схема

Концепция интегральной схемы первоначально была предложена Джеффри Даммером в конце 1940-х годов. В 1952 году Даммер представил свое исследование на конференции, на которой присутствовал Джек Килби.

Даммер работал над решением так называемой «Тирании чисел» — концепции, придуманной Джеком Мортоном, генеральным директором Bell Labs.

«С некоторых пор электронный человек знает, как «в принципе» значительно расширить свои зрительные, тактильные и умственные способности посредством цифровой передачи и обработки всех видов информации. Однако все эти функции страдают от того, что было названо «тирания чисел». Такие системы из-за их сложной цифровой природы требуют сотен, тысяч, а иногда и десятков тысяч электронных устройств». -Джек Мортон 

По сути, компьютерное оборудование уперлось в кирпичную стену.

Хотя люди разрабатывали более сложные вычислительные устройства, необходимость вручную припаивать сотни дискретных компонентов к отдельным модулям отнимала невероятно много времени и неэкономична. Кроме того, они были очень хрупкими — один неисправный компонент или паяное соединение могли сделать весь модуль бесполезным. Потом были провода, много проводов.

К счастью для компьютерного мира, Джек Килби наконец решил эту проблему в 1958 году.

 

Выглядит не очень, но эта германиевая плита размером 7/16 на 1/16 дюйма навсегда изменит мир.Предоставлено Техасскими инструментами.

Микромодули

Когда Килби присоединился к Texas Instruments в 1958 году, он начал работать над программой Micro-Module. Это была попытка Корпуса связи армии США решить проблему тирании чисел.

Микромодули

представляли собой стандартные размеры и формы для электронных компонентов со встроенной проводкой. Эти модули могли соединяться вместе для создания различных цепей, поэтому им не нужно было подключать провода. Килби чувствовал, что микромодули были чем-то вроде полумеры, поскольку они никак не уменьшали количество компонентов.

Поскольку Килби только что присоединился к TI, у него еще не было отпуска, когда большая часть компании традиционно уезжала в двухнедельный отпуск. Килби максимально использовал свое время, проведенное в лаборатории в одиночестве, и проверил свою теорию о том, что пассивные устройства и транзисторы могут быть изготовлены из одного и того же материала и составлять полную схему.

12 сентября 1958 года он продемонстрировал свою теорию, пропустив электричество через плиту и отобразив результаты на осциллографе. Осциллограф выдал бесконечную синусоиду.

От германия к кремнию

Германиевая интегральная схема Килби вызвала интерес у военных, но поначалу не имела финансового успеха. Роберт Нойс, впоследствии ставший соучредителем Fairchild Semiconductor и Intel, работал над собственной интегральной схемой независимо от Джека Килби. Хотя Джек Килби получил рабочий прототип за несколько месяцев до того, как это сделал Нойс, кремниевая ИС Нойса оказалась намного лучше с коммерческой точки зрения. По этой причине Килби и Нойса часто называют соавторами, несмотря на то, что они работали по отдельности.

Кремниевые ИС Нойса являются более распространенными, с которыми мы знакомы сегодня, и были частью того, что придумал термин «Кремниевая долина», но сделал ли бы Нойс кремниевую ИС, если бы Килби не продемонстрировал концепцию с германием, это кое-что. что историки могут спорить.

Чип, изменивший мир

«Чего мы не осознавали (когда разрабатывали интегральную схему), так это того, что это снизит стоимость электронных функций в миллион раз.” – Джек Килби

Когда Джек Килби изобрел первую интегральную схему (ИС) в Texas Instruments в 1958 году, он не мог знать, что когда-нибудь она сделает автомобили более безопасными, умные счетчики воды, ультразвуковые аппараты, которые поместятся в вашем кармане, и множество других важных приложений, которые мы полагаться на сегодняшний день.

Это потому, что он не мог предсказать, что в течение следующих нескольких десятилетий будут появляться дополнительные инновации в полупроводниковой технологии, которые снизят стоимость электроники, уменьшив размер и повысив надежность и эффективность, что в конечном итоге поможет создать лучший мир.

 

 

Мы в TI стремимся сделать мир лучше, сделав электронику более доступной за счет полупроводников. Мы думаем об этом как о инженерном прогрессе, и изобретение Джеком интегральной схемы плюс десятилетия последующих инноваций — вот некоторые из способов, которыми наша компания помогла добиться прогресса на протяжении десятилетий.

Отмечая 62-ю годовщину Джека и его чипа, который изменил мир, мы хотели бы сосредоточиться на трех наших недавних инновациях, которые улучшили медицинскую диагностику, безопасность автомобилей и обнаружение утечек воды.

Портативный ультразвуковой аппарат делает здравоохранение более доступным

Когда наша команда по исследованиям и разработкам TI в Индии внедряет инновации, направленные на уменьшение размера и количества микросхем, необходимых в ультразвуковой системе, наши клиенты могут создавать доступные ультразвуковые аппараты, которые являются портативными и подключенными, и мир получает более широкий доступ к качественному здравоохранению.

В течение почти 20 лет группа сотрудников Центра исследований и разработок (НИОКР) нашей компании в Бангалоре (Индия) улучшала качество и снижала стоимость ультразвуковой визуализации за счет создания устройств все меньшего размера.

Ультразвуковые сканеры традиционно устанавливаются на тележках в больницах и клиниках. Теперь, благодаря усовершенствованным компонентам, которые уменьшают мощность и размер при одновременном улучшении качества сигнала, ультразвуковые устройства уменьшаются до ручных интеллектуальных датчиков с батарейным питанием. То, что раньше требовало 128 отдельных компонентов для создания 32-канального передающего/приемного интерфейса, теперь интегрировано в две интегральные схемы, настолько маленькие, что они помещаются непосредственно в пробник, что устраняет необходимость в проводах, обычно необходимых для подачи питания и выполнения вычислений.

Доступные по цене и достаточно портативные, чтобы их можно было взять с собой в отдаленные районы и носить с собой лица, оказывающие первую помощь в полевых условиях или в машинах скорой помощи, интеллектуальные датчики могут создавать четкие изображения внутренних органов в режиме реального времени и могут просматриваться на смартфоне, часто раскрывая детали, важные для немедленного лечение.

90 156 миллиметров Система обнаружения волн делает больше автомобилей более безопасными 90 159

Когда компания TI создала передовую радиолокационную технологию миллиметрового диапазона для обнаружения, наши клиенты-автомобилестроители впервые смогли интегрировать ее в менее дорогие модели автомобилей, и мир увидел более безопасные автомобили, которые стали более доступными.

Радиолокационные системы

существуют уже почти столетие, но традиционно они были очень дорогими в производстве и в основном использовались в военных целях. Наша компания недавно создала радиолокационную технологию, которая объединила надежную радиолокационную систему в единый полностью интегрированный микрочип и широко используется во многих промышленных и автомобильных приложениях.

Технология миллиметровых волн (mmWave) TI была одной из первых прорывных инноваций, разработанных в нашем научно-исследовательском центре Kilby Labs.Это самый точный в мире однокристальный датчик с комплементарной металл-оксид-полупроводник (КМОП) миллиметрового диапазона, который обеспечивает в три раза более точное считывание и наименьшую занимаемую площадь при меньшей мощности, чем у конкурирующих сенсорных технологий.

Внедрение наших радарных датчиков миллиметрового диапазона в конце 2018 года ознаменовало начало быстрой эволюции радарных систем в автомобилях, что позволило уменьшить размеры систем и повысить их производительность, а также открыло возможности для новых вариантов использования радаров в автомобилях, выходящих за рамки расширенных функций помощи водителю. системы (АДАС).Эта технология значительно повысила точность радиолокационного обнаружения дальнего, ближнего и среднего радиуса действия.

Выходя за пределы ADAS, автомобильные инженеры используют датчики mmWave, сертифицированные TI для автомобилей, для обнаружения свободного пространства вокруг автомобиля, препятствий возле дверей и багажника, более интеллектуальной автоматической парковки, оповещения о вторжении и обнаружения присутствия в салоне, чтобы поднять тревогу, если ребенок могут быть случайно оставлены в машине без присмотра. Эти возможности в конечном итоге делают транспортные средства более безопасными во многих отношениях, и, поскольку эта технология становится все более доступной, мы будем продолжать видеть, как эти функции распространяются на модели автомобилей в более низких ценовых диапазонах.

Ультразвуковой датчик обнаруживает утечки воды для улучшения сохранности

Когда TI создает доступные сенсорные технологии, способные обнаруживать даже самые незначительные утечки воды или газа, наши клиенты могут устанавливать высокотехнологичные счетчики воды или газа, что позволяет производить ремонт вскоре после обнаружения и до того, как проблема усугубится. в результате меньше отходов этих природных ресурсов.

По данным Всемирного банка, во всем мире ежегодно теряется 8,8 трлн галлонов воды из-за утечек и разрывов водопроводов.И часто эти утечки и поломки обнаруживаются только через несколько дней после их возникновения, потому что традиционные счетчики воды и их электромеханические системы с вращающимся шпинделем или шестерней предназначены просто для измерения расхода воды. Но, как и в случае с термостатами, двигателями и многими другими повседневными устройствами и промышленными товарами, электромеханические системы в расходомерах быстро переходят на электронные системы.

Инновации в ультразвуковых технологиях трансформируют многие отрасли, включая робототехнику, домашнюю автоматизацию и водосбережение по всему миру.В нашем усовершенствованном микроконтроллере ультразвукового датчика (MCU) используется интеллектуальный аналоговый интерфейс с высокопроизводительным аналого-цифровым преобразователем для улучшения соотношения сигнал-шум, преодоления неточностей калибровки расходомера, измерения расхода в широком диапазоне от пожара. шланг к небольшой утечке и обнаружить турбулентность, пузырьки и другие аномалии потока.

Ультразвуковая технология дает счетчикам воды, установленным в «умных» зданиях и «умных» городах, возможность обнаруживать и локализовать утечки размером от одной капли каждые несколько секунд.В этих системах пара иммерсивных ультразвуковых преобразователей измеряет скорость акустических волн в жидкости. Скорость распространения акустической волны зависит от вязкости, расхода и направления жидкости, протекающей по трубе. Ультразвуковые волны распространяются с разной скоростью в зависимости от жесткости среды или материала, через который они проходят.

Точность измерения зависит от качества преобразователя, прецизионной аналоговой схемы и алгоритмов обработки сигнала.Акустические или ультразвуковые преобразователи представляют собой пьезоматериалы, которые преобразуют электрические сигналы в механические колебания на относительно высокой частоте в сотни килогерц. Как правило, пара ультразвуковых преобразователей в диапазоне 1–2 МГц должна быть хорошо согласована и откалибрована для точного измерения расхода. Они составляют значительную часть стоимости расходомера. Сенсорная система должна работать с очень низким энергопотреблением, чтобы обеспечить срок службы батареи 15-20 лет.

Усовершенствованное семейство микроконтроллеров ультразвуковых датчиков нашей компании включает в себя уникальный аналоговый интерфейс и алгоритм, которые значительно повышают точность при одновременном снижении общей стоимости и энергопотребления.В нашей архитектуре измерения расхода используется высокопроизводительная аналоговая конструкция, усовершенствованные алгоритмы и встроенная обработка, что снижает потребность в дорогостоящей паре ультразвуковых преобразователей.

Живите своей страстью, чтобы сделать мир лучше

Ультразвуковые счетчики воды, карманные ультразвуковые аппараты и радарные датчики миллиметрового диапазона от TI для повышения безопасности транспортных средств — это лишь три примера того, как наша компания воплощает в жизнь свою страсть к созданию лучшего мира, делая электронику более доступной с помощью полупроводников.Эта страсть жива и сегодня, поскольку мы продолжаем продвигать вперед интегральные схемы. Каждое поколение инноваций опирается на предыдущее, чтобы сделать технологии меньше, эффективнее, надежнее и доступнее, открывая новые рынки и позволяя полупроводникам повсеместно внедряться в электронику. Мы думаем об этом как о инженерном прогрессе. Это то, что мы делаем и делаем на протяжении десятилетий.

Изобретение интегральной схемы » Electronics Notes

Изобретение Джеком Килби и Робертом Нойсом интегральной схемы, ИС, стало важным шагом в развитии современных электронных технологий.


История интегральной схемы Включает:
Изобретение интегральной схемы

Подробнее об истории полупроводников
История развития полупроводниковых технологий Изобретение диода с PN-переходом История транзистора


История интегральных схем — одна из самых важных историй в области электроники. Это привело к другим разработкам, таким как изобретение микропроцессора и многое другое.

Изобретение интегральной схемы возникло из-за потребности в более надежных и простых методах производства электронного оборудования, а также потребности в сборках гораздо меньшего размера.

Хотя общепризнано, что изобретателями интегральной схемы являются Джек Килби и Роберт Нойс, многие другие инженеры и ученые участвовали в поддержке этих изобретений и закладке фундамента. Действительно, уже давно ведутся споры о том, кому следует отдать честь быть автором изобретения интегральной схемы.

Основы изобретения интегральной схемы

Когда транзистор хорошо зарекомендовал себя, люди вскоре начали задаваться вопросом, можно ли разместить несколько электронных компонентов на одном и том же куске полупроводника. Если бы это могло быть достигнуто, то в дополнение к уменьшению размера были бы получены значительные улучшения в производительности и надежности.

Одна из главных движущих сил в истории интегральных схем, ИС возникла из-за потребности в улучшении военной техники.Вторая мировая война убедительно доказала ценность электроники вне всяких сомнений. Радар имел выдающийся успех, и для электронного оборудования было найдено много других новых применений.

Одним из них был ранний компьютер под названием Colossus, который был разработан британцами для расшифровки немецких зашифрованных сообщений. Он содержал более 1500 клапанов или электронных ламп и множество других электронных компонентов. Он также выделял феноменальное количество тепла. Это был самый сложный образец электронной схемы того времени, и он оказался феноменально успешным, хотя и несколько ненадежным.

По мере того, как электронное оборудование становилось все более изощренным и сложным, возник ряд проблем. Во-первых, вырос физический размер. Это было особым недостатком для самолетов, где очень важны были размер и вес. Огромное количество необходимых электронных компонентов увеличивало вес многих электронных схем, что ограничивало сложность оборудования, которое можно было перевозить на самолетах.

Второй недостаток был еще важнее. По мере роста сложности электронных схем надежность падала.Он часто падал до такой степени, что его поддерживали дольше, чем использовали. Это было особенно верно для некоторых ранних компьютеров на основе ламп и ламп.

Некоторые из этих проблем были частично решены за счет использования новых методов строительства. Клапаны меньшего размера позволили немного уменьшить размер оборудования, как и внедрение печатных плат. Однако главным преимуществом внедрения печатных плат было повышение надежности.

Несмотря на эти улучшения основные проблемы не были решены. Надежность была еще слишком низкой, а оборудование слишком большим.

Затем в 1948 году Советский Союз взорвал свою первую ядерную бомбу. США увидели в этом большую угрозу. Это означало, что Советский Союз мог легко нанести атомный удар по США. С существующими технологиями США не смогли бы обнаружить это, пока не стало бы слишком поздно. Требовались более совершенные методы обнаружения возможных угроз, а для этого требовалась более сложная электроника.

Tinkertoy закладывает основу для изобретения ИС

Одна из первых серьезных попыток решить проблемы размера и надежности была предпринята в 1951 году, когда правительство США профинансировало исследование. Под кодовым названием Tinkertoy он исследовал ряд возможностей, многие из которых сегодня широко используются.

В Tinkertoy были разработаны двухсторонние и даже многослойные печатные платы. Также были разработаны методики изготовления металлизированных сквозных отверстий на печатной плате.Хотя транзистор мог показаться очевидным кандидатом на включение в проект, он не использовался, поскольку в то время технология была очень новой и ненадежной.

Другие разработки и идеи, заложившие основу для изобретения интегральной схемы, начали воплощаться в жизнь. Через Атлантику в Англии доктор Г. Драммер из Королевского радиолокационного учреждения предложил идею создания электронной схемы в виде цельного блока без каких-либо соединительных проводов.Однако это было скорее видением будущего, потому что не было никаких практических идей, поддерживающих его. Тем не менее это было удивительно точное предсказание будущего.

Год спустя, в мае 1953 года, Х. Джонсон, работавший в Радиокорпорации Америки (RCA), подал первый патент на интегральную схему. Он предположил, что все электронные компоненты фазовращателя можно разместить на одном кремниевом кристалле. Он подробно рассказал, как можно изготовить отдельные электронные компоненты, но, поскольку первые транзисторы с PN-переходом были только что изготовлены, технологии, позволяющей их производить, не существовало.

Тем не менее, Джонсон не считался изобретателем интегральной схемы, поскольку это была всего лишь концепция, и в то время ее нельзя было создать.

Дополнительные шаги к изобретению ИС

Тем временем в Великобритании Драммер продолжал работать над своей идеей. В 1957 году он разместил заказ в исследовательском отделе Плесси на исследование методов, которые можно было бы использовать для производства ИС. Это было ключевым событием в истории интегральных схем.

Потребовалось некоторое время, чтобы работа над проектом началась должным образом.Фактически только в 1959 году работа действительно началась. К сожалению, к этому времени было уже слишком поздно, потому что вок вок развивался гораздо быстрее в США.

Изобретение интегральной схемы потребовало наличия многих элементов: транзистора, технологии обработки кремния, идей о печатных платах и ​​многого другого.

Тинкертой движется дальше

К 1957 году транзисторы получили гораздо большее распространение. Они начали находить свой путь к большему количеству оборудования. Даже военное оборудование, в котором, как правило, использовались проверенные технологии, в некоторых областях начало становиться транзисторным.

С этим изменением вскоре стало очевидно, что транзисторы могут значительно повысить надежность и уменьшить размеры. Это заставило правительство США обновить свой проект Tinkertoy, включив в него различные аспекты полупроводниковых технологий.

Их работа была разделена таким образом, что несколько разных компаний развивались отдельно, но следовали схожим направлениям исследований. Одной из компаний, получивших контракт, была Texas Instruments. TI была первой компанией, производившей кремниевый транзистор, и одной из первых, кто производил полевые транзисторы.Именно в эту компанию примерно через год после начала проекта пришел очень одаренный молодой инженер по имени Джек Килби. Джеку Килби предстояло стать изобретателем интегральной схемы.

Изобретена первая интегральная схема

Значительные успехи были достигнуты в результате причудливой бюрократии компании. Когда Джек Килби присоединился к Texas Instruments, у него было очень мало права на отпуск. Когда произошло ежегодное закрытие компании, он предложил работать там самостоятельно.Это дало ему возможность довести до конца многие из своих собственных идей.

Килби начал с изготовления нескольких фазовращающих генераторов на одном кристалле из германия. Схема была простой, но вполне достаточной, чтобы доказать осуществимость технологии.

Во время остановки Килби добился огромного прогресса, сначала решив, что рисунок будет сделан на германиевой подложке, а затем перенес его на полупроводниковую подложку. Затем, 12 сентября 1958 года, ему удалось заставить работать первую из своих схем.После этого успеха он сделал еще одну партию, чтобы доказать воспроизводимость процесса. И снова он добился успеха и добился больших результатов от сделанных им схем. Эта работа означала, что Джек Килби был отмечен как изобретатель интегральной схемы.

Еще одно изобретение ИС

Поскольку у правительства США был ряд подобных контрактов с несколькими компаниями, неудивительно, что они пришли к аналогичным выводам.

Роберт Нойс, работавший в Fairchild, рассуждал, что было бы глупо делать большое количество транзисторов на микросхеме, которую затем разрезали на отдельные устройства.Обычно транзисторы изготавливались из кремниевой пластины, внутри которой производилось большое количество транзисторов. Затем пластина будет разрезана, чтобы получить отдельные транзисторы.

При производстве оборудования эти устройства затем собирались вместе. Вместо этого Нойс подумал, что было бы разумнее удалить этапы разделения и повторной сборки. Нойс применил свои знания в области технологии производства транзисторов, чтобы заложить основы большинства современных технологий интегральных схем.

Ввиду их взаимодополняющей работы Килби и Нойсу совместно приписывают изобретение интегральной схемы. Титул изобретателя интегральной схемы присвоен Роберту Нойсу вместе с Джеком Килби.

Новый импульс для изобретения ИС

Как и многие революционные идеалы, IC не сразу добился успеха. Идея захватила воображение многих инженеров и ученых, но реальность их высокой стоимости ограничивала их использование очень небольшим числом специализированных приложений.

Первые микросхемы поступили в продажу только в 1961 году. Даже тогда только две компании: Texas и Fairchild производили их, и при цене 120 долларов (в ценах 1961 года) за типичную ИС неудивительно, что их использование было ограниченным.

Затем, в 1961 году, президент Кеннеди объявил о своем видении космических исследований, заявив, что к концу десятилетия Америка отправит человека на Луну. Для этого нужно было выделить огромные суммы денег на разработку необходимых новых технологий.Одной из главных областей исследований была электроника. Размер, вес и надежность были одними из основных требований. В результате этого нового импульса вскоре стало доступно больше ИС, хотя их стоимость все еще была очень высокой.

Ранняя разработка

Ранний прогресс в разработке ИС был непростым. Высокая стоимость свидетельствует о трудностях, с которыми пришлось столкнуться. Урожайность была серьезной проблемой. Доступные в то время процессы обеспечивали лишь ограниченную точность, а это означало, что лишь небольшая часть микросхем работала правильно.Чем сложнее чип, тем меньше шансов, что он заработает. Даже схемы с несколькими десятками компонентов давали выход около 10%.

Большая часть разработок ИС в 1960-х годах была посвящена увеличению выхода. Было признано, что ключом к успеху в этой области является возможность экономичного производства ИС. Этого можно было бы достичь только в том случае, если бы процент рабочих цепей в пластине мог быть значительно увеличен.

Большая часть разработок и достижений была сделана в США из-за количества денег, которые были доступны для космических исследований.

Несмотря на это, другие страны добились ряда значительных успехов. Европа была в хорошем настроении. В Великобритании Плесси проделал большую подготовительную работу для Королевского радарного учреждения. Другие компании, в том числе Ferranti, Standard Telephones and Cables (S.T.C.) и Mullard (теперь часть Philips, которая, в свою очередь, превратилась в NXP), присоединились к клубу IC. Аналогичный интерес к этим новым устройствам проявили и другие страны Европы.

Япония, которая быстро стала очень важной силой в мировой экономике, увидела значение полупроводниковой технологии.В большинстве областей исследований, от первых производственных транзисторов до самой технологии ИС, они отставали от США всего на два года. Одной из первых японских компаний, производящих интегральные схемы, была Nippon Electric Company, NEC, которая выпустила свою первую продукцию на рынок в 1965 году.

Понимая, что для завоевания мирового лидерства потребуются огромные объемы исследований, в 1975 году пять крупнейших японских производителей интегральных схем объединились в совместное исследовательское предприятие с правительством. Эта схема принесла огромные дивиденды, благодаря чему некоторые из этих компаний заняли лидирующие позиции. столов для продаж ИС.

Интегральная схема быстро стала основной технологией электронной промышленности. К концу 1960-х как аналоговые, так и цифровые интегральные схемы стали доступны для многих различных продуктов. Их стоимость была разумной, и они начали использоваться во все больших количествах.

Цифровые или логические схемы стали популярными с введением первой серии интегральных схем 74xx, а аналоговые схемы, такие как операционные усилители, а также ряд радиочастотных интегральных схем, также получили широкое распространение.

Совместные изобретатели интегральной схемы Джек Килби и Роберт Нойс смогли увидеть, как их изобретение стало большим успехом.

Больше истории:
Хронология истории радио История радио История любительского радио Когерер Хрустальное радио Магнитный детектор Датчик искры телеграф Морзе История клапана / трубки Изобретение диода с PN-переходом Транзистор Интегральная схема Кристаллы кварца Классические радиоприемники
    Вернуться в меню История .. .

Кто изобрел интегральную схему?: Идея, время которой пришло. | Дэвид А. Лоус

«В настоящее время во многих приложениях желательно создавать несколько устройств на одном куске кремния, чтобы иметь возможность устанавливать взаимосвязи между устройствами как часть производственного процесса».

Роберт Нойс, 23 января 1959 г.

Эта типичная заниженная запись в его блокноте патентов Роберта Нойса, тогдашнего генерального директора Fairchild Semiconductor в Пало-Альто, Калифорния, 60 лет назад сегодня привела к созданию первой практической интегральной схемы. (IC) и фундаментальные методы, которые продолжают управлять индустрией компьютерных микросхем и современным цифровым миром.

Нойс получил Национальную медаль науки за свою работу в 1979 году и вместе с Джеком Килби из Texas Instruments прославился как соавтор ИС. Хотя Килби и Нойс оба внесли критический вклад в технологию, их усилия стали кульминацией многих подходов ученых и инженеров по всему миру к созданию такого устройства.

В этой статье описываются некоторые из этих работ, которые начались всего через пару лет после изобретения транзистора в 1947 году.

Интегральные схемы составляют основные строительные блоки современных электронных систем. ИС, также известная как компьютерный чип или микрочип, представляет собой аналоговую и/или цифровую схему вместе с внутренними соединениями, нанесенными на единый кусок полупроводникового материала. Джек Мортон, руководитель отдела производства транзисторов в Bell Telephone Laboratories, описал раннюю концепцию такой схемы. Во внутреннем отчете 1949 года он отметил: «Представьте себе технику, в которой… соединительные выводы и пассивные элементы «печатаются» в одном непрерывном производственном процессе.… Мы не знаем технологии выполнения этих вещей… Вот в чем проблема».

Концептуальная модель интегрированного усилителя Даммера (1957 г.)
Фото: Исследовательский центр телекоммуникаций

К 1952 году GWA Даммер, менеджер Исследовательского института телекоммуникаций в Малверне, Англия, предположил, что технология продвинулась до такой степени, что: С появлением транзистора и работы в области полупроводников в целом теперь кажется возможным представить электронное оборудование в виде сплошного блока без соединительных проводов.Хотя собственным усилиям Даммера потребовалось почти десятилетие, чтобы принести плоды [1], другим исследователям действительно удалось создать работающие устройства за годы до усилий Килби и Нойса.

В течение нескольких лет после изобретения транзистора ученые всего мира преследовали идею производства нескольких устройств на одном кристалле. Используя оригинальную точечную структуру Bell Labs, Вернер Якоби из Siemens, Германия, подал патент на однокристальный пятитранзисторный усилитель в 1949 году. Сидней Дарлингтон из Bell Telephone Laboratories запатентовал схемы с двумя и тремя переходными транзисторами в 1953 году.А в 1957 году Ясуро Таруи изготовил «квадрапольный» транзистор, разновидность униполярного (полевого транзистора) и транзистора с биполярным переходом на одном кристалле в Электротехнической лаборатории MITI недалеко от Токио. [2] Все эти устройства отличались конструкцией, в которой несколько транзисторов могли иметь общую активную область без гальванической изоляции, отделяющей их друг от друга.

Интегрированный полупроводниковый сдвиговый регистр RCA (1957 г.)
Фото: RCA Corporation

Некоторые сложные схемы подсчета и коммутации образуют класс специализированных интегрированных функций, которые также могут выполняться без необходимости электрической изоляции между активными устройствами.Используя сеть RC-элементов (резистор-конденсатор) на одном германиевом кристалле, Харвик Джонсон разработал полную схему генератора со сдвигом фазы в 1953 году в RCA в Нью-Джерси. Хотя его устройство не стало коммерческим продуктом, его интерес к интеграции полных электронных функций продолжался, когда он руководил работой Торкеля Уоллмарка над сдвиговым регистром для ВВС. Под заголовком «Интегрированные полупроводниковые устройства» статья в годовом отчете RCA Laboratories за 1957 год включала фотографию «интегрированного устройства Уолмарка, которое объединяет в одном устройстве функции, которые должен выполнять целый набор конденсаторов, резисторов, усилителей и переключателей.[3]

Четырехступенчатый счетчик звонков Bell Labs на «шаговом транзисторе» (1955 г.)
Фото: Bell Telephone Laboratories

В IBM, Покипси, штат Нью-Йорк, в 1954 году Джозеф Лог руководил разработкой Риком Диллом интегрированного счетчика звонков с использованием «двухбазовые диоды». Диллу удалось создать один кремниевый чип с четырьмя стабильными состояниями, по сути, четырехбитный кольцевой счетчик. В том же году в Bell Labs была предпринята попытка создать аналогичный счетчик. Во главе с Яном Россом, который позже станет президентом Bell Labs, H.Х. Лоар и Л.А. Д’Асаро в 1955 г. изготовили «шаговый транзистор», четырехкаскадный кольцевой счетчик, заменивший 8 транзисторов и десятки диодов, резисторов и конденсаторов одной кремниевой микросхемой. [4]

Счетчики Bell и IBM были основаны на четырехслойной диодной структуре, первоначально задуманной Уильямом Шокли, который понял, что устройство PNPN обеспечивает два стабильных режима работы. Как коммутатор, который мог оставаться в одном из двух состояний, он видел в нем полупроводниковую замену механическим коммутаторам в телефонной системе Bell.Эквивалентная схеме, состоящей из двух транзисторов, диода и двух резисторов, одержимость Шокли реализацией этой интегрированной функции в его собственной начинающей компании в Маунтин-Вью, Калифорния, привела к уходу в 1957 году восьми ведущих ученых, которые затем основали Fairchild Semiconductor. . Хотя Шокли в конце концов перевел устройство в пилотное производство, оно устарело из-за функций ИС более общего назначения, созданных его бывшими сотрудниками в их новой компании.

Джек Килби из Texas Instruments, Даллас, руководил программой компании по миниатюризации схем для аэрокосмических приложений.Предыдущие подходы, такие как устройства PNPN, описанные выше, создавали действительно интегрированные устройства, но предлагали лишь ограниченный набор полезных функций схемы. Килби понял, что если бы он мог изготовить каждый компонент схемы как уникальный физический элемент внутри полупроводникового материала, дизайнеры могли бы затем соединить их в любую желаемую конфигурацию. [5]

Генератор с фазовым сдвигом Джека Килби (1958 г.)
Фото: аукционный дом Christie’s

12 сентября 1958 г. Килби продемонстрировал прототип фазового генератора, построенный на двух микросхемах германиевых транзисторов, содержащих отдельные транзистор, конденсатор и резистор. компоненты.С помощью техников Пэта Харбрехта и Тома Иргана он соединил два чипа в схему генератора с помощью тонких золотых проводов. Через неделю они изготовили усилитель. Т.И. объявила о концепции Kilby’s Solid Circuit Semiconductor Network в марте 1959 года и представила свое первое коммерческое устройство, двухчиповый кремниевый бистабильный мультивибратор Type 502, год спустя.

Твердотельный контур бистабильного мультивибратора Тип 502 (1960 г.)
Фото: Texas Instruments

Хотя на одном стержне материала можно было сформировать несколько компонентов, подход TI требовал тщательной ручной обработки каждого узла.Электрическая изоляция между компонентами заключалась в вытравливании «причудливых форм» в окружающем материале [6], а для создания соединений между ними требовалось прикрепление проводов, называемых летающими проводами, над поверхностью чипа. Это не была практическая технология производства, и клиентам для оценки было отправлено всего несколько десятков твердых схем.

Начиная с 1957 года Westinghouse Electric проводила исследования, в результате которых был заключен контракт на разработку «молекулярных» электронных устройств для ВВС США.Основанная на идеях профессора Массачусетского технологического института Артура фон Хиппеля, эта концепция появилась много лет спустя в форме нанотехнологий, но в ближайшем будущем привела к созданию серии интегральных аналоговых схем, известных как функциональные электронные блоки (ФЭБ). В 1959 году Джон Д. Хашер на предприятии в Янгвуде, штат Пенсильвания, вырезал канавки на поверхности чипов силовых транзисторов, чтобы создать островки дискретных составных элементов, которые он соединил с помощью проводов в FEB, такие как аудиоусилители, детекторы и фильтры. [7]

Когда Джек Килби начал претворять в жизнь свою идею в июле 1958 года, основатели Fairchild Semiconductor, Пало-Альто, Калифорния, сосредоточились на создании своих первых транзисторов.Тем не менее, в том же месяце Роберт Нойс нашел время, чтобы задокументировать на странице 46 своего патентного блокнота идею соединения нескольких диодов на одной пластине для изготовления таблицы интегрированных функций. [8] Однако, как и в случае с Bell Labs и другими подходами, он описал специализированную структуру, которую нельзя было легко адаптировать для проектов общего назначения.

Соучредитель Fairchild Джин Хорни, применивший маскирующие и изолирующие свойства диоксида кремния для внедрения планарного процесса производства транзисторов, возродил интерес Нойса к интеграции схем в начале 1959 года.Под заголовком «Методы изоляции нескольких устройств» 23 января он написал на 70-й странице своей записной книжки: «В настоящее время во многих приложениях желательно сделать несколько устройств на одном куске кремния, чтобы иметь возможность делать межсоединения между устройствами как часть производственного процесса». Он отметил, что этот метод может быть применен «как к транзисторам, так и к диодам. . . (чтобы построить) обобщенный логический элемент» и включал схему сумматора.

Триггер Fairchild Semiconductor Type «F» (1960 г.)
Фото: Fritz Goro/Time & Life Pictures/Getty Images

Джей Ласт, еще один соучредитель Fairchild, собрал команду инженеров для воплощения идей Нойса в работающие устройства .В мае 1960 года они выпустили первую плоскую интегральную схему, триггер с 4 транзисторами и 5 резисторами. 1961. В октябре были введены пять дополнительных схем, в том числе вентильная функция типа «G», которая использовалась в управляющем компьютере НАСА «Аполлон».

Все крупные производители полупроводников лицензировали полученные патенты Fairchild и преобразовали свою деятельность по проектированию схем в планарный процесс, который до сих пор лежит в основе миллиарда транзисторных микросхем.

Fairchild и TI уже много лет ведут судебные разбирательства по поводу патентов. В конце концов суды вынесли решение в пользу Нойса, но к тому времени компании пришли к коммерческому решению. Килби и Нойс оба получили Национальную медаль науки в 1979 году и сегодня известны как соавторы интегральной схемы. Поскольку Нойс умер в 1990 году, он не имел права на получение Нобелевской премии, присужденной Килби в 2000 году. возник в другом месте в самом ближайшем будущем.Это была идея, время которой пришло, и технология развилась до такой степени, что стала жизнеспособной». [10]

Эта статья основана на статьях, представленных в специальных выпусках IEEE Annals of the History of Computing , посвященных «Ранней истории микросхем», опубликованных в январе в томах 34, номер 1 и том 35, номер 1. 2012 и 2013 соответственно. Ссылки на эти документы и другие ресурсы перечислены ниже.

[1] Грин, Майк «Видение Даммера твердотельных схем в Королевском радиолокационном учреждении Великобритании», IEEE Annals of the History of Computing (Vol.35, № 1) январь 2013 г.

[2] Чой, Хёнсуб и Такуси Отани, «Неудачный запуск: Таруи Ясуо, квадрупольный транзистор», IEEE Annals of the History of Computing (том 34, № 1) ) Январь 2012 г.

[3] «Integrated Semiconductor Devices — A New Concept in Electronic Technology» RCA Laboratories Research Report 1957 , стр. 6 и 33.

[4] «D’Asaro, Arthur Oral History», Computer History Номер в каталоге музея 102702126

[5] Фиппс, Чарльз «Ранняя история ИС в Texas Instruments» IEEE Annals of the History of Computing (Vol.34, №: 1) январь 2012 г.

[6] «Латроп, Джей В. Устная история», Номер по каталогу Музея компьютерной истории 102702095

[7] Сак, Эдгар и Дэвид Лоус «Вестингауз: пионер микроэлектроники от молекулярной электроники до интегральных схем» », IEEE Annals of the History of Computing (Vol. 34, No. 1) Jan 2012

[8] Noyce, Robert «Noyce Patent Notebook (#8)», Номер по каталогу Музея истории компьютеров 102722911

[9 ] Законы, Дэвид и Майкл Риордан, «Создание Micrologic», IEEE Annals of the History of Computing (Vol.34, № 1) январь 2012 г.

[10] Роберт Нойс, устная история, проведенная в 1975 г. Майклом Вольфом, Центр истории IEEE, Хобокен, Нью-Джерси, США.

История интегральной схемы (микрочипа)

Кажется, что интегральной схеме суждено было быть изобретено. Два отдельных изобретателя, не подозревая о деятельности друг друга, почти одновременно изобрели почти идентичные интегральные схемы или ИС.

Джек Килби, инженер, имеющий опыт работы с печатными платами для трафаретной печати на керамической основе и слуховыми аппаратами на основе транзисторов, начал работать в Texas Instruments в 1958 году.Годом ранее инженер-исследователь Роберт Нойс стал соучредителем Fairchild Semiconductor Corporation. С 1958 по 1959 год оба инженера-электрика работали над решением одной и той же дилеммы: как сделать больше из меньшего.

«Чего мы тогда не осознавали, так это того, что интегральная схема снизит стоимость электронных функций в миллион к одному раз, никто никогда раньше не делал этого ни для чего» — Джек Килби

Зачем была нужна интегральная схема

При проектировании сложной электронной машины, такой как компьютер, всегда было необходимо увеличить количество задействованных компонентов, чтобы добиться технического прогресса.В монолитной (сформированной из одного кристалла) интегральной схеме ранее разделенные транзисторы, резисторы, конденсаторы и вся соединительная проводка размещались на едином кристалле (или «чипе») из полупроводникового материала. Килби использовал германий, а Нойс использовал кремний в качестве полупроводникового материала.

Патенты на интегральную схему

В 1959 году обе стороны подали заявки на патенты. Джек Килби и Texas Instruments получили патент США № 3 138 743 на миниатюрные электронные схемы.Роберт Нойс и Fairchild Semiconductor Corporation получили патент США № 2 981 877 на интегральную схему на основе кремния. Две компании мудро решили перекрестно лицензировать свои технологии после нескольких лет юридических баталий, создав глобальный рынок, который теперь оценивается примерно в 1 триллион долларов в год.

Коммерческая версия

В 1961 году компания Fairchild Semiconductor Corporation выпустила первые коммерчески доступные интегральные схемы. Затем все компьютеры начали производить с использованием микросхем вместо отдельных транзисторов и сопутствующих им частей.Компания Texas Instruments впервые использовала чипы в компьютерах ВВС и ракете Minuteman в 1962 году. Позже они использовали чипы для производства первых электронных портативных калькуляторов. Первоначальная ИС имела только один транзистор, три резистора и один конденсатор и была размером с мизинец взрослого человека. Сегодня микросхема размером меньше пенни может содержать 125 миллионов транзисторов.

Джек Килби имеет патенты на более чем шестьдесят изобретений, а также известен как изобретатель портативного калькулятора (1967 г.).В 1970 году он был награжден Национальной медалью науки. Роберт Нойс, запатентовав шестнадцать патентов, в 1968 году основал Intel, компанию, ответственную за изобретение микропроцессора. Но для обоих мужчин изобретение интегральной схемы исторически считается одним из самых важных изобретений человечества. Практически во всех современных продуктах используется чиповая технология.

Кто открыл интегральную схему?

1952 год: концепция интегральной схемы только что была представлена, и сердце современной электроники вот-вот изменится навсегда…

Начало революции в микроэлектронике

В 1940-х и 50-х годах транзисторы, используемые для усиления, управления или производства электрических сигналов, считались основой электроники.Однако по мере развития технологий электроника становилась все меньше, а транзисторы не были достаточно компактными, чтобы поместиться в эти миниатюрные устройства. Эта проблема привела к появлению новой волны изобретателей и инженеров, которые посвятили себя поиску решения.

Одним из таких инженеров был Джеффри Даммер, работавший над радиолокационными системами в Исследовательском центре телекоммуникаций (TRE) в Соединенном Королевстве, который сейчас называется Королевским радиолокационным институтом. Работая над радаром, он высоко оценил их конструкцию и надежность компонентов.Благодаря своим исследованиям он узнал, что многие сбои в электронике происходят из-за неисправных проводов или паяных соединений, соединяющих различные компоненты в цепи.

У Даммера была новаторская идея: единая плата, которая могла бы включать в себя все элементы схемы. Он придумал концепцию интегральной схемы (ИС) или микрочипа.


Фотография Джеффри Даммера. Изображение Роберта Катлза. Под лицензией CC BY-SA 2.5, CC BY-SA 2.0 и CC BY-SA 1.0 через Викисклад.

Даммер представил эту концепцию на технической конференции в Вашингтоне, округ Колумбия, 7 мая 1952 года. Представляя эту радикальную концепцию, Даммер сказал:

«С появлением транзистора и работы в области полупроводников в целом теперь кажется возможным представить электронное оборудование в виде сплошного блока без соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, при этом электронные функции подключаются напрямую путем вырезания областей различных слоев.

Даммер приступил к воплощению своей идеи в жизнь, но его попытки были остановлены, когда британское правительство прекратило финансирование его проекта. Хотя ему не удалось успешно разработать работающую интегральную схему, работа Даммера помогла проложить путь революции в микроэлектронике.

Прорывы в исследованиях интегральных схем

Инженеры по всему миру быстро уловили концепцию интегральной схемы и попытались самостоятельно создать работающую схему.Однако разработка первой практической ИС оказалась чрезвычайно сложной задачей, поскольку каждый компонент в схеме должен был идеально работать вместе.

В 1958 году в исследованиях интегральных схем инженер Джек Килби обнаружил, что все части ИС могут быть изготовлены из полупроводникового материала. В то время Килби только начал работать в Texas Instruments (TI) в Техасе и хотел произвести впечатление на своего босса инновационной идеей. Он и не подозревал, что его открытие позже станет известно как «монолитная идея», которую можно найти во множестве популярных учебников.

В том же году Килби воплотил свою идею в первый работающий прототип ИС, который состоял из нескольких компонентов схемы на куске германия. Новое устройство Килби имело размеры 1,6 х 11,1 мм — меньше почтовой марки США! В 1959 году он подал заявку на патент, который гласил: «Это изобретение относится к миниатюрным электронным схемам и, в частности, к уникальным интегральным электронным схемам, изготовленным из полупроводникового материала».


Инженеры Texas Instruments в Далласе, штат Техас, в начале 1960-х.Слева направо: Чарльз Фиппс и Джо Уивер (стоят), Джеймс Р. Биард, Джек Килби и Джеймс Фишер (сидят). Изображение Джеймса Р. Биарда — собственная работа. Под лицензией CC BY-SA 4.0 через Wikimedia Commons.  

Как и Килби, инженер Роберт Нойс также видел важность производства всей схемы на одном кристалле. Их работа была похожа, но не идентична. Килби пытался усовершенствовать компоненты интегральной схемы, а Нойс думал о наилучшем способе соединения всех ее частей.Нойс проводил свои исследования в полупроводниковой компании Fairchild Semiconductor в Калифорнии, которую он основал в 1957 году.

Нойс написал очень подробный патент на интегральную схему на основе кремния, гарантируя, что не будет посягать на близкое устройство Килби. Хотя Нойс написал свой патент на ИС после Килби, фактически он был выдан в 1961 году (Килби получил в 1964 году).


Фотография Роберта Нойса. Изображение предоставлено Intel Free Press. Лицензия CC BY-SA 2.0 через Flickr Creative Commons.  

Сегодня Килби и Нойсу приписывают открытие первой работающей интегральной схемы. Есть даже книга об их совместной находке под названием «Чип: как два американца изобрели микрочип и запустили революцию » (1984), написанная Т.Р. Рид. После работы в Fairchild Semiconductor Нойс стал соучредителем другой компании по производству полупроводников, Intel (обе эти компании сыграли важную роль в создании Силиконовой долины).Страсть Килби к инновациям преследовала его на протяжении всей жизни, что привело к тому, что он изобрел портативный калькулятор и термопринтер. В 2000 году Килби получил Нобелевскую премию по физике за роль в изобретении интегральной схемы.

Прочное наследие интегральной схемы

Чуть более 60 лет спустя интегральную схему можно найти почти в каждом электронном устройстве, от смарт-часов до мобильных телефонов и телевизоров. По сравнению с первыми коммерчески доступными интегральными схемами, которые стоили 450 долларов США, сегодняшние микросхемы стоят в сто раз дороже — и они намного более совершенны.

Дальновидные и смелые новаторы, такие как Даммер, Килби и Нойс, помогли сформировать технологически подкованный и постоянно меняющийся мир, в котором мы живем сегодня.

Дополнительное чтение

Узнайте больше об интегральных схемах в блоге COMSOL: 

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *