Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы

В 1950-е годы в СССР самым лучшим специалистом в области полупроводниковой электроники считался академик Абрам Федорович Иоффе (1880–1960), обыкновенно именуемый «отцом советской физики». Но в период самых выдающихся открытий ученых-экспериментаторов из Bell Labs (1948–1951 гг.) Иоффе был вынужден помогать Курчатову, а в 1952 г. попал под очередную волну сталинских репрессий («борьба с космополитизмом», «дело врачей»). Его отстранили от руководства Ленинградским физико-техническим институтом (ЛФТИ), закрыли или урезали финансирование ряда перспективных проектов, которые он инициировал.

Считается, что первые НИР по транзисторам («точечно-контактным триодам») в Советском Союзе в 1949 г. поставили:

• ФИ АН СССР (Б. М. Вул, А. В. Ржанов);

• ЦНИИ-108 (С. Г. Калашников, Н. А. Пенин, директор А. И. Берг);

• НИИ-160 (А. В. Красилов и С. Г. Мадоян). [6] См.: Стафеев В. И. Начальные этапы становления полупроводниковой электроники в СССР (К 60-летию открытия транзистора)//Физика и техника полупроводников, 2010. Т. 44. Вып. 5.

Bell Labs , – и это очень примечательно, – решилась на необычный маркетинговый ход. В сентябре 1951 г. ее руководство объявило, что полностью передаст права на изготовление биполярных транзисторов всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 тыс. долларов вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы. Лицензию приобрели 26 компаний. Среди них были не только крупные фирмы (Motorola, IBM, General Electric) , но и малоизвестные, например, Texas Instruments. Более ста представителей от каждого покупателя лицензии в апреле 1952 г. были приглашены на симпозиум по транзисторным технологиям. Восемь дней специалисты Bell Labs работали с посетителями с утра до вечера. Все материалы симпозиума на следующий год были опубликованы в книге «Транзисторная технология», которая впоследствии получила ласковое прозвище – Mother Bell’s Cookbook («Поваренная книга матушки Белла»). [7] The Improbable Years// Electronics, 1968, 19 February.

В 1954 г. Bell Labs по заказу американских военно-воздушных сил выпустила первую в мире полностью полупроводниковую ЭВМ под названием TRADIC (Ttransistorized Airborne Digital Computer). Данная машина (производительность 1 млн. логических операций в секунду) устанавливалась на борту стратегических бомбардировщиков для расчета оптимальных параметров навигации и бомбометания. В ее конструкции было использовано 700 транзисторов и 10 000 диодов, изготовленных из германия (Ge).

Первый специализированный институт полупроводниковых приборов в Советском Союзе был создан в июне 1953 г. по инициативе А. И. Берга, М. Г. Первухина, отчасти – А. Ф. Иоффе и Б. М. Вула. Серийное производство полупроводниковых приборов (точечные и плоскостные диоды), началось в 1955 г. на ленинградском заводе «Светлана». [8] Щука А.А… Вехи развития отечественной интегральной электроники// ИИЕТ РАН. Годичная научная конференция 2004 г. М.: Диполь-Т, 2004. С. 676.

Первоначально технология изготовления полупроводниковых приборов была полукустарной. Выращенные кристаллы германия резали на маленькие пластинки, которые служили базой. Эмиттер и коллектор создавали, накладывали маленькие кусочки индия на пластинки германия, и быстро нагревали их до 600 градусов Цельсия. При этой температуре индий сплавлялся с находящимся под ним германием. При остывании насыщенные индием области приобретали проводимость p-типа. На завершающей операции кристалл помещали в корпус и присоединяли выводы.

Для массового производства такая технология не годилась, и скоро были придуманы средства комплексной механизации. Тонкие круглые германиевые пластинки диаметром до 2,5 мм, протравленные кислотой, загружались специальным виброустройством в многогнездный держатель. Индиевые шарики засыпались в так называемый «распределитель», который раскладывал их по одному шарику на каждую пластинку, и затем все устройство перемещалось через водородную печь. Водород требовался для очистки поверхности германия от окисла, чтобы индий хорошо ее «смачивал». Длительность обработки в печи и температуру подбирали так, чтобы толщина базы составляла примерно 0,025 мм. Далее поверхность германия стабилизировали легким протравливанием в щелочном растворе. Затем транзисторы высушивали в нагретом воздухе с контролируемой влажностью и герметизировали, помещая в каждый корпус по крупинке пористого стекла.

В апреле 1954 г. Гордон Тил (Gordon Teal), инженер американской компании Texas Instruments , разработал первый в мире образец кремниевого сплавного транзистора. Промышленное производство новых изделий началось менее чем через месяц. Рабочая температура транзисторов поднялась до 125–150 градусов Цельсия, и кроме того кремниевые приборы оказались значительно стабильнее и надежнее германиевых.

Сплавная технология имела ряд принципиальных недостатков, обусловленных трудностями управления процессом внедрения примесей. В 1955 г. в Bell Labs был создан диффузионный германиевый транзистор. Метод диффузии состоит в том, что пластинки полупроводника помещают в атмосферу газа, содержащего пары примеси (сурьмы), которая должна образовать эмиттер и коллектор, и нагревают до температуры, близкой к точке плавления. Атомы примесей при этом постепенно проникают в полупроводник. В результате применения данной технологии появилась практическая возможность создавать транзисторы с толщиной базы 0,2–0,3 мкм.

В 1957 г. General Electric Company выпустила первые промышленные образцы тиристоров – четырехслойных полупроводниковых диодов, которые заменили дорогостоящие и крупногабаритные ртутные выпрямители переменного тока. Достаточно сказать, что ртутный выпрямитель на 1000 ампер имел массу 300 кг, а тиристор на тот же ток вместе с охладителем – всего 5 кг. В дальнейшем тиристоры нашли применение в блоках питания, генераторах, инверторах и зарядных устройствах. В СССР тиристоры начали выпускаться с 1961 года. [9] Королев Ю. Н. Тиристоры. – М.: Знание, 1968.

В 1958 г. во многих странах проводились работы по созданию диффузионных транзисторов с мезаструктурой (от исп. mesa – плато), при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника. Важной особенностью данной технологии явилась возможность изготовления сотен транзисторов на одной пластине.

В 1959 г. Джин Хорни (Jean Hoerni), инженер американской компании Fairchild Semicondactor , запатентовал технологию производства кремниевых биполярных транзисторов, при которой диффузия локализуется, а для остальной части поверхности пластины создается маска из диоксида кремния. Ее (технологии) уникальность состояла в возможности создавать на поверхности кремниевой пластины методом фотолитографии топологические рисунки (шаблоны) различных областей с различным типом или величиной проводимости, а затем внедрять в заготовку различные примеси и выращивать изолирующие слои. В истории электроники эта технология также известна под названием планарной (англ. planar – плоскость).