Роль Второй мировой войны в развитии электроники

Огромную роль в дальнейшем развитии электроники сыг-рала Вторая мировая война. Ускоренное развитие электроники стало залогом грядущей победы и, в конечном счете, средством выживания. Германские «люфтваффе» бомбили английские го-рода, и противостоять этому было невозможно без средств ра-диолокации, способной обеспечить быстрое, точное и надежное обнаружение самолетов противника. Нападение Японии на Пирл-Харбор втянуло в войну США. Всеобщая военная угроза помогла США выйти из "великой депрессии", увеличить темпы производ-ства, мобилизовать военные, научные и трудовые ресурсы. Ис-следования в области радиолокации, начавшиеся в начале 1930-х гг., были ускорены по обе стороны Атлантики. Объединение фи-нансовых ресурсов и научного потенциала США и Великобрита-нии привело к созданию радиоэлектронного вооружения, сыг-равшего решающую роль в «Битве за Британию».

Для обнаружения самолетов противника возникла по-требность в радарах и детекторов СВЧ–излучения на кристалли-ческих точечных диодах из германия и кремния. Так появились кремниевые диоды, которые заменили вакуумные диоды, по-скольку технология очистки, кристаллизации и легирования гер-мания была изучена и освоена ко второй половине 1940-х гг. Бы-ли созданы фоторезисторы из сернистого свинца, которые нашли применение в аппаратуре радиоэлектронного обнаружения.

В ходе создания аппаратуры обнаружения военных объ-ектов была заложена полупроводниковая промышленность, кото-рая организовала обеспечение приборов, выдерживающих экс-тремальные температуры, влажность, вибрацию, удары.

В ходе Второй мировой войны было определено направ-ление дальнейшего развития электроники в области совершенст-вования фоторезисторной техники. Существенная социальная и политическая востребованность дальнейших исследований в об-ласти создания высокоточных электронных приборов была оче-видной. В частности, во время войны стало развиваться направ-ление вакуумной фотоэлектроники – тепловидение (восприятие и отображение тепловых изображений объектов).

Послевоенная электроника

После войны были получены полупроводниковые соеди-нения на основе PbSe, InAs, InSb и др. Технология легирования кремния и германия позволила получить примесные ИК- фоторе-зисторы. Они обладали высокой чувствительностью, что позво-ляло с их помощью обнаруживать полет ракеты за тысячи кило-метров. В видимом диапазоне электромагнитного спектра веду-щее положение заняли фоторезисторы из сернистого и селени-стого кадмия (CdS и CdSe), обладающие еще большей фоточув-ствительностью.

В 1950-е гг. полупроводниковая электроника стала интен-сивно развиваться. Наработки в области точечных Ge и Si дио-дов привели к созданию фотодиода в 1950 г. Технологичность, быстродействие, надежность, универсальность, дешевизна, со-вместимость с другими полупроводниковыми приборами сделали его необходимым элементом в электронных приборах.

Перспектива практического применения полупроводни-ковых приборов стала очевидной. Фоторезисторы и терморези-сторы использовались в системах автоматики, полупроводнико-вые детекторы - в радиотехнике, силовые полупроводниковые приборы - в электротехнике. Основным функциональным недос-татком первых полупроводниковых приборов являлась невоз-можность создания на их основе усилителей и генераторов сиг-налов.

Изобретение транзистора

Появление транзистора было исторически обусловлено. Объективной предпосылкой его изобретения стали знания, нако-пленные в области изучения полупроводников. В ходе Второй мировой войны были существенно ускорены процессы развития полупроводниковой электроники. Полупроводниковые приборы стали необходимой базой военной техники.

В 1945 г. в крупнейшем исследовательском центре Bell Telеphone Laboratories (США) группа из ведущих ученых иссле-довала полупроводниковые структуры с целью создания прибо-ра, способного заменить вакуумные усилительные радиолампы. 17 декабря 1947 г. У. Шокли, У. Браттейн и Д. Бардин продемонстрировали усилитель на кристалле германия с металлическими контактами вместо вакуумной лампы (см. до-кументы №№ 87, 90 хрестоматии). Это был первый в мире то-чечный транзистор.

В 1956 г. транзистор был удостоен Нобелевской премии. Именно это устройство стало прообразом современных транзи-сторных структур, составивших основу современной электронной техники, включая компьютеры.

В ходе набиравшей темпы "холодной войны" были уско-рены подобные разработки и в Советском Союзе. Весной 1949 г. в НИИ-160 А. Красилов и С. Мадоян разработали первый в СССР точечный транзистор (см. документ № 89 хрестоматии) В 1952 г. были созданы промышленные образцы. Первые советские германиевые сплавные транзисторы были разработаны в начале 1950-х гг. в Физико-техническом институте им. А. Иоффе в Ле-нинграде (ФТИ). В 1954 г. началось их промышленное освоение.

Со временем обнаружилось, что германиевые транзисто-ры имеют недостаточно стабильные параметры. Кроме того, кри-сталлический германий был достаточно дорог. Альтернативные поиски привели к исследованию кремния. Кремний, имеющий температуру плавления 1420° С, позволял делать транзисторы, работающие в более широком диапазоне температур и обеспечи-вающие большую мощность. Используя технику формирования p-n-переходов, в 1954 г. компания Texas Instrument Inc. (США) создала кремниевый транзистор с хорошими характеристиками. В дальнейшем кремниевые транзисторы вытеснили германиевые из сферы практического применения. Благодаря малым габарит-ным размерам транзисторных приборов, массе, потребляемой мощности и высокой надежности, они сразу нашли применение в военной и бытовой аппаратуре.

После изобретения транзистора полупроводниковая элек-троника и фотоприемная техника развивались в тесной взаимо-связи. Достижения транзисторной электроники давали импульс развитию соответствующего направления полупроводниковых фотоприемников. Появление нового класса диодов сопровожда-лось увеличением их фоточувствительности. Так появились фо-тотранзисторы, фототиристоры, фотоварикапы, лавинные фото-диоды, p-i-n-фотодиоды, фотодиоды с барьером Шоттки.

К 1960-м гг. были разработаны различные оптические компоненты - световоды, линзы, волоконно-оптические элемен-ты.

Интегральные схемы

Бурное развитие транзисторной технологии поставило пе-ред разработчиками и схемотехниками задачу интеграции раз-розненных элементов электронной аппаратуры в процессе изго-товления в единое целое. Например: конструкция первых амери-канских радиовзрывателей минометных снарядов определяла объем радиопередатчика размером с кулак, и, чтобы уложиться в него, была придумана техника печатного монтажа, т.е. интегра-ция межсоединений. В послевоенных ракетах в головки самона-ведения стали вводить счетно-решающие устройства. Далее - вы-числительная техника: в ЭВМ первого поколения использовались сотни тысяч и миллионов элементов. Требовалось не только из-готовить эти элементы, но и провести множество дополнитель-ных операций: протестировать, доставить потребителю, осуще-ствить повторный контроль, монтаж на плату и пр. Возникло по-нятие "тирании количества". В этих условиях избежать брака бы-ло невозможно. Начали делать микротранзисторы, микрорези-сторы и т. д. Была освоена технология изготовления так называе-мых гибридных интегральных схем (ИС), которые содержали пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) и межсоедине-ния, выполненные в виде пленок на керамической подложке. К пассивной части подсоединялись транзисторы и диоды. Появи-лись бескорпусные транзисторы в виде кремниевых кристаллов - чипов (chip - кристалл). Эти первые схемы были дорогими в изго-товлении и использовались поэтому только в ракетной технике. Задачам резкого повышения степени интеграции и надежности они не отвечали. Остро стояла проблема автоматизации сборки.

Прогрессивным направлением конца 1950-х гг. считались транзисторы фирмы Fairchild Semiconductor, выполненные по мезатехнологии (название возникло от того, что меза-транзистор в поперечном сечении напоминал плоскогорье). Рабочие частоты некоторых из первых меза-транзисторов достигали гигагерцевого уровня. Они были надежными, работали при более высоких тем-пературах.

Идея о возможности изготовления всей схемы в одном полупроводниковом кристалле принадлежит Д. Килби, специали-сту по микроминиатюризации компании Texas Instruments (ТI). Требовалось так разрезать пластину, чтобы на чипе оказывалось несколько меза-транзисторов, а также разместить на том же кри-сталле резисторы и конденсаторы, создав, таким образом, закон-ченное устройство (интегральную схему). Это было реализовано в начале 1959 г., когда удалось получить схему с памятью (триг-гер), изготовленную на одном кристалле монолитного германия (см. документ № 93 хрестоматии).

Новая технология, названная "планарной" (поскольку все элементы ИС изготавливались на одной стороне кремниевого кристалла, "в плане"), нашла всеобщее признание. Недостатком было то, что меза-структуры соединялись с помощью распайки металлических проволочек. Пайки снижали надежность микро-схем при большом количестве элементов. Многие недостатки первой ИС устранил Р. Нойс (Fairchild) (см. документы №№ 95-96 хрестоматии). Он применил тонкопленочные металлические межсоединения, проходящие по пленке окисла, а также усовер-шенствовал ряд других технологических процессов.

Р. Нойс и Д. Килби вошли в историю как создатели пер-вой интегральной схемы. В 2000 г. Д. Килби был удостоен Нобе-левской премии по физике. Р. Нойс не дожил до этого дня.

С 1959 г. разработки в области интегральных схем разви-вались высокими темпами. Сначала ИС применяли в военных областях - системах управления боевых ракет, средствах проти-воракетной обороны, а также в электронном криптографическом оборудовании.

Интегральные схемы возникли в результате военного противостояния времен "холодной войны" для усовершенство-вания новых оборонных и наступательных систем. В послевоен-ное время эффективность и низкая стоимость ИС обеспечили им широкое применение в бытовой аппаратуре. Планарная техноло-гия стала основой широкого промышленного освоения ИС и при-вела к увеличению транзисторов на одном кремниевом кристалле до сотен и тысяч.

Изобретение лазера

Импульсом для качественного развития микроэлектрони-ки явилось изобретение лазера (lazer - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiаtion - усиление света посредством вынужденной генерации излучения). Отечественный синоним лазера - оптический квантовый генератор (ОКГ). Это изобретение стало одним из крупнейших и революционных научных откры-тий второй половины ХХ в.

Теоретическое предсказание лазерно-мазерного эффекта было сделано в 1916 г. А. Эйнштейном, описавшим эффект вы-нужденного излучения электронов. Соотношения А. Эйнштейна показали, что создание сверхвысоких концентраций электронов на высоких энергетических уровнях может вызвать усиление ин-тенсивности световой волны, проходящей через вещество. Сле-довательно, такое состояние может привести к генерации моно-хроматического потока. Открытие было сделано теоретически и оставило много неразрешимых в те годы вопросов. В частности, каким именно образом должно быть возбуждено вещество. Поиск подходящего вещества и способов его возбуждения занял не один десяток лет. А. Эйнштейну принадлежит идея стимулированных переходов, которая лежит в основе действия лазера и мазера. Ученый сформулировал ее в 1917 г. и сделал вывод о распреде-лении плотности излучения в спектрах нагретых тел. Теория А. Эйнштейна положила начало исследованиям по созданию лазера.

С момента теоретического открытия А. Эйнштейном эф-фекта вынужденного излучения потребовалось более тридцати лет для подбора соответствующего материала и способов его воз-буждения. По мнению зарубежных и отечественных физиков, советский физик В. Фабрикант ближе других подошел к пониманию возможности усиления электромагнитного излучения при индуцирующем воздействии другого излучения. В 1940 г. во Все-союзном электротехническом институте он провел серию экспе-риментов для получения усиления в парах цезия и изложил ос-новы теории, базирующейся на квантовых принципах. Завеса секретности не позволила опубликовать в СССР результаты экс-периментов В.А. Фабриканта ранее 1959 г.

Теория А. Эйнштейна о возможности вынужденного из-лучения получила экспериментальное подтверждение в 1954 г. Советские физики А. Прохоров и Н. Басов в Физическом инсти-туте Академии наук СССР им. Лебедева (ФИАН) получили ла-зерно-мазерный эффект на молекулах аммиака. Этот эксперимент лег в основу первого квантового молекулярного генератора, на-званного мазером (mazer - Microweve Amplification by Stimulated Emission of Radiаtion - усиление микроволн с помощью индуци-рованного излучения). Открытие было удостоено Ленинской пре-мии в 1959 г.

Излучение мазера было очень слабым и соответствовало сантиметровому радиодиапазону (λизл=1,24см). В том же году в США Ч. Таунс, Д. Гордон и Г. Зейгер создали квантовый генера-тор со сходными характеристиками. Возникло новое направление - квантовая электроника. В 1964 г. А. Прохорову и Н. Басову со-вместно с Ч. Таунсом была присуждена Нобелевская премия за "фундаментальные исследования в области квантовой электрони-ки, которые привели к созданию генераторов и усилителей ново-го типа - мазеров и лазеров". Физические принципы действия лазера и мазера сходны, различие состоит в рабочих длинах волн.

Первый лазерный эффект в твердом теле был получен Т. Мейманом. В качестве рабочего материала он выбрал рубин во-преки бытующему мнению о его низкой квантовой эффективности. Источником оптической накачки стали сверхъяркие газосветные лампы, применяемые в фотографии в качестве фото-вспышек. В мае 1960 г. он продемонстрировал первый в мире твердотельный лазер, работающий в импульсном режиме.

Теория и принципы создания генераторов для усиления световых волн (лазеров) были сформулированы в 1957-1960 гг. А. Прохоровым и Н. Басовым. Американские физики Ч. Таунс и А. Шавлов (Bell Labs, США) также опубликовали в 1958 г. фундаментальную работу в области инфракрасных лазеров, где описали принцип газового лазера на парах щелочи. Осенью 1961 г. ведущий научный центр Bell Labs сообщил о создании А. Джаваном, В. Бенетом и Д. Эрриотом опытного образца газового лазера, работающего в непрерывном режиме на смеси гелия и неона. В ближайшее время был получен лазерный эффект на парах цезия и продемонстрирована возможность построения лазера на различных химических элементах и соединениях. Квантовая электроника стала не только научным, но и перспективным техническим направлением.

Идея создания полупроводникового лазера относится к 1957 - 1959 гг. В 1961 г. она была описана американским физи-ком Р. Холлом. Однако обнаружилось, что изученные к тому времени полупроводники - кремний и германий - почти не обла-дали способностью излучать свет. Развитие полупроводниковых лазеров с самого начала было связано с созданием сложных мно-гокомпонентных полупроводниковых материалов, не сущест-вующих в природе, а синтезируемых искусственно. Вначале это были двойные и тройные соединения и растворы, затем число компонентов возросло до четырех и более. Подбор подходящего полупроводника продолжался, и в конце 1962 г. почти одновре-менно в США и СССР были созданы первые полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия (GaAs).

Разработка полупроводникового лазера ознаменовала но-вое направление в науке. Но скоро выяснилось, что его примене-ние в технике ограничено. Лазер работал только при температуре жидкого азота (~70 К) и в импульсном режиме. По степени моно-хроматичности (Δλ/λизл ≈ 0,005) полупроводниковый лазер всего лишь в 10÷20 раз превосходил светодиод, но в десятки тысяч раз уступал газовому лазеру. По угловой расходимости генерируемо-го луча (≈30˚) он напоминал оптически усовершенствованный светодиод. Кристаллы выходили из строя через несколько часов из-за высокой плотности рабочего тока. Поэтому широкое промышленное применение арсенидо-галлиевые лазеры получили только к 1970-м гг., когда были решены основные технологиче-ские проблемы производства и повышена надежность лазеров. Усовершенствовались характеристики полупроводниковых ин-жекционных лазеров и расширилась сфера их применения. В том числе, эксперименты по применению полупроводниковых лазеров проводились в области волоконно-оптической связи.

Открытие лазера дало стимул к развитию многих облас-тей науки и техники. Благодаря этому, например, в 1963 г. стала возможной первая практическая демонстрация голографии, принципы которой были описаны Д. Габором еще в 1949 г. Открытие Д. Габора вызвало интерес в научных кругах. Но из-за отсутствия в 1950-е гг. стабильных источников когерентного из-лучения, голография не получила тогда практического примене-ния. Создание полупроводникового лазера обеспечило в даль-нейшем широчайшее применение голографии в различных отрас-лях промышленности. Например, в машиностроении голография использовалась для контроля качества изделий сложной формы, в медицине - для воспроизведения объемных изображений внутренних органов человека. Стало возможным создавать библиотеки любых объемных изображений, которые используются в воен-ных целях, криминалистике, банковском деле, изобразительном искусстве.

Изобретение лазера породило новое перспективное направление в физике - нелинейную оптику и привело к возникно-вению новых технологий с уникальными возможностями, без которых немыслима современная цивилизация.

Компьютеры

Исследования в области вооружений в период Второй ми-ровой войны стали катализатором для создания электронных вы-числительных машин (компьютеров). Расчет траекторий полета снарядов становился более сложным, а воздушная война требова-ла их быстрого выполнения, чтобы нацеливать зенитные орудия на быстродвижущиеся цели. Для вычисления типичной траекто-рии требовалось около 750 действий умножения, а для составле-ния таблиц стрельбы с учетом различных углов возвышения ме-стности, скорости снаряда и прочих условий, необходимо было рассчитать 2 – 4 тыс. таких траекторий. Быстро осуществить та-кие расчеты на механическом настольном калькуляторе было не-реально. В то же время, механический дифференциальный анали-затор позволял выполнить такой расчет за 10 – 20 мин, а расчеты траекторий для всей таблицы стрельбы – за 720 час. или 30 дней.

В отличие от цифровых компьютеров, аналоговые вычис-лительные машины начали серьезно разрабатываться только с 1930 г. в Массачусетском технологическом институте (МТИ). Цифровые компьютеры, начав свое развитие с механических уст-ройств, быстро прошли стадию электромеханического становле-ния и к 1940 - м гг. стали электронными. В 1942 г. в МТИ был создан дифференциальный анализатор, который заменил приме-няемые механические устройства электрическими соединениями.

В 1944 г. IBM и Гарвардский университет создали авто-матическую вычислительную машину МАРК-1. Длина ее состав-ляла 15 м, а ширина - 2,5 м. Она содержала около 800000 деталей и имела 60 регистров для констант, 72 запоминающих регистра для сложения, центральный блок умножения и деления, а также «умела» вычислять элементарные трансцендентные функции.

Широкое распространение электронных цифровых ком-пьютеров началось после введения в строй в 1946 г. электронного цифрового компьютера на вакуумных лампах ЭНИАК-15, по-строенного в Пенсильванском университете (рис. 19 "Хрестома-тии"). Он был создан на 18000 вакуумных лампах, работал с так-товой частотой 100 кГц, потреблял мощность 150 кВт, занимал помещение размером 9 х 15 м и весил 30 т. После Второй миро-вой войны эта машина применялась для создания сверхсекретно-го проекта атомной бомбы. Машина эксплуатировалась до 1955 г.

ЭНИАК имел один недостаток: управление при помощи коммутационной панели. Для изменения программы требовалось переключать провода, что занимало несколько дней. Недостатки метода программирования сводили на нет преимущества в облас-ти быстродействия. Необходимо было создать компьютер, кото-рый мог бы хранить программы электронным способом.

В то время архитектура ЭВМ определялась памятью. В ЭНИАКе единственным элементом памяти был триггер на лам-повой схеме – дорогостоящая техника, которая резервировалась для обработки данных. Но уже при создании следующей модели компьютера - ЭДВАК, были использованы новые технологии, появившиеся в результате исследований радиолокации в годы войны, восполнившие недостатки ЭДВАКа.

Серьезные исследования в этой области проводились в Великобритании. В 1943 г. институтом Блетчи-Парк была созда-на ЭВМ КОЛОСС, построенная на 1500 лампах. По некоторым оценкам, именно эта машина была первым электронным цифро-вым компьютером. Сразу после войны МТИ и фирма Ferranti Ltd. разработали первый английский коммерческий компьютер МАРК-1, который поступил в лаборатории Королевского обще-ства.

Значительной английской разработкой явилось создание электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для хранения данных, так на-зываемой "трубки Уильямса". Это устройство стало первым чис-то электронным запоминающим устройством.

В 1946 - 1947 гг. было проведено коммерческое внедрение операционного усилителя постоянного тока на вакуумной лампе, созданное в США Дж. А. Филбриком. Это устройство проложило путь к электронным аналоговым вычислительным машинам.

В конце Второй мировой войны компьютеры начали ак-тивно разрабатываться. Коммерческий и деловой мир стал прояв-лять большой интерес к вычислительной технике, которая нахо-дила все большее применение в различных отраслях экономики. С 1947 г. создавались фирмы, занятые проектированием и произ-водством компьютеров.

Совершенствование ЭВМ шло по пути перехода от элек-тронных ламп к полупроводниковым приборам. Электронные лампы, в больших количествах сконцентрированные в ЭВМ, пе-регревались, выходили из строя и требовали постоянной замены. Компьютер серии РАМАК 7090, разработанный IBM в 1958 г., полностью выполненный на транзисторных логических схемах, стал переходной моделью к полупроводниковым приборам. В 1960-е гг. компьютеры серии РАМАК стали самой распростра-ненной моделью в мире.

Таким образом, до войны разработки компьютеров про-водились в примерно равных объемах в США и Англии. В сере-дине 1950-х гг. США вырвались вперед. К 1959 г. IBM стала иг-рать доминирующую роль в мире.

Дальнейшее развитие ЭВМ было связано с "холодной войной" и исследованиями космического пространства в 1960-е гг.