Валерий Родиков - Приключения радиолуча

Полупроводниковые приборы на арсениде галлия и других перспективных материалах откроют новую страницу в освоении электромагнитного спектра. Недалеко то время, когда интегральные СВЧ-схемы станут широко использоваться и в бытовой радиоаппаратуре.

В 80-х годах появился новый тип интегральных микросхем. Несмотря на малые размеры, их назвали «силачами». На одной пластинке кремния совмещается компьютерная логика со способностью управлять довольно сильным электрическим током. Эту операцию обычно выполняют батареи мощных транзисторов вкупе с тиристорами, диодами, конденсаторами и другими элементами. Всех их заменит «силач» — высоковольтная интегральная схема. Она работает при напряжениях, во сто крат больших, чем напряжения пятивольтовых чипов для компьютеров.

Интересна история создания новой схемы. В начале 70-х годов Джеймс Пламмер, профессор электротехники Станфордского университета, пытался повысить мощность портативной считывающей машины для слепой дочери своего коллеги. Ученый использовал уже известную технологию изготовления интегральных схем, так называемую технологию МОП-транзисторов, разновидности полевых, и сумел получить высоковольтный чип. (МОП — аббревиатура, составленная из первых букв названий слоев, составляющих структуру затвора: металл — оксид — полупроводник.)

На основе микросхемы был создан прибор «Оптакон», включающий в себя миниатюрную фотокамеру, которая по буквам считывала тексты с обычных книг и газет. Новый чип преобразовывал начертания букв в электрические импульсы, с помощью которых автоматически составлялись знаки рельефно-точечной азбуки Брайля для слепых.

Если интегральные схемы произвели революцию в компьютерной технике, сделали ее доступной рядовому пользователю, то высоковольтные чипы произведут еще одну электронную революцию, только в иной сфере — в области промышленной и бытовой электротехники. «Силачи» могут переключать токи в десятки и даже более сотни ампер. Это стало возможным благодаря параллельному соединению десятков тысяч транзисторов в крошечном кристалле.

Особая польза ожидается от применения высоковольтных чипов в небольших электромоторах переменного тока, и их частота вращения жестко связана с частотой сети — 50 герц. Электромоторы расходуют в США около 60 процентов всей электроэнергии страны, и большая ее часть тратится впустую, так как они работают в режиме постоянной скорости.

«Силач» может электронно регулировать частоту вращения электродвигателей и, следовательно, потребляемую энергию. Например, число оборотов электродрели будет автоматически увеличиваться, а не уменьшаться, если сверло в процессе работы натолкнется на более твердый металл. А в недалеком будущем чипы станут применяться для управления и более мощными электродвигателями.

Высоковольтные чипы вскоре заменят все виды электромеханических реле и переключателей, особенно в бытовых приборах. В стиральных машинах ненужными станут редукторы для изменения скорости вращения электромотора в различных режимах работы. Уже есть кондиционеры воздуха с высоковольтными чипами Электродвигатель, оборудованный «силачом», не выключаясь, только замедляет или увеличивает скорость вращения, поддерживая тем самым постоянную температуру. Такой режим наиболее эффективен. У прежних кондиционеров электродвигатель при достижении определенной температуры отключался.

Применение чипов в люминесцентных светильниках поможет избавиться от неприятного мерцания лампы, назойливого жужжания дросселя, а также позволит регулировать яркость свечения люминесцентных ламп.

Широкое распространение получат «силачи» в автомобильной промышленности. В современном автомобиле много потребителей электроэнергии, а в будущем их число еще более возрастет. От каждого потребителя к источнику питания тянутся провода. Специалисты подсчитали, что в среднем в каждом автомобиле вес проводов составляет 32 килограмма. Применение высоковольтных чипов даст возможность использовать совсем иную, более экономичную схему электропроводки. Только один-два провода протянут через весь автомобиль по замкнутому контуру. Все электрическое оборудование подключат к ним подобно лампочкам, украшающим новогоднюю елку. В месте подсоединения каждого потребителя будет вмонтирован «силач», который, например, не только включит задний фонарь, но и подаст сигнал на переднюю панель в случае, если лампочка неисправна.

Правда, и сейчас многие автомобили оснащены индикаторами неполадок, но они работают на датчиках и другой дорогостоящей электронике, а с применением дешевых чипов такой контроль получит более широкое распространение. По подсчетам специалистов, применение высоковольтных чипов в авиалайнере «Боинг-747» поможет снизить вес электропроводки более чем на четыре тонны.

Нажимая на клаксон, можно будет подавать чипу разные команды. Легкое нажатие — предупреждающий слабый сигнал, сильное нажатие — громкий гудок.

«Силачи» уже работают в плоских дисплеях некоторых компьютеров. Такие экраны построены на принципе газового разряда. Изображение получается более совершенным, чем на обычных жидкокристаллических дисплеях.

Технология производства высоковольтных чипов совершенствуется, цены на них на международном рынке падают. Если в 1984 году стоимость «силача» составляла 45 долларов, то в 1987 году уже 6,5 доллара, и эта тенденция будет продолжаться.

Чтобы получить представление о достигнутом уровне микроминиатюризации электронных схем, нью-йоркский журнал «Бизнес уик» в своем выпуске, вышедшем где-то в середине 1985 года, советовал сделать следующее:

«Вырвите у себя волос. Его толщина равняется приблизительно ста микронам. Представьте себе теперь, что вы умещаете в сетку из 400 транзисторов, каждый из которых состоит из линий, толщиной в один микрон, на кристалле кремния размером с сечение вашего волоса. Теперь сожмите эти линии до толщины в полмикрометра и вы сможете примерно на той же площади разместить почти 1500 транзисторов-полупроводников. Еще раз разделите все пополам. При толщине четверть микрометра каждый транзистор по размеру будет приблизительно равен крупному вирусу, и вам хватит места для 4500 транзисторов».

Данный пример лишь приблизительная оценка, которая дает представление и об уже имеющемся и о том, что уже почти на выходе. Но и это не предел. В 1987 году в печати сообщалось, что сумели сделать транзистор, где толщина линии 0,1 микрона (или в новых терминах — микрометра), то есть одна десятая от миллионной доли метра. А линиями как раз и «рисуют» с помощью литографических приемов на пластинке кремния, арсенида галлия или другого материала транзисторы, соединительные провода и все прочие детали электрической схемы. Чем тоньше линия, тем меньше элементы схемы, тем плотнее ее электронная начинка. Поэтому не только количество транзисторов в кристалле характеризует микросхему, но и толщина линии.