История развития микроэлектроники и оптоэлектроники (1960 - 2000 гг.) (см. документы №№ 103-116 хрестоматии)

Становление микроэлектроники и оптоэлектроники (1960-1980 гг.)

Двадцатый век - век мировых войн, революций и соци-альных потрясений, можно по праву назвать веком революцион-ных преобразований в электронике.

Законы и логика развития научно-технического прогрес-са показывают, что в первую очередь развиваются те фундамен-тальные и прикладные научные исследования, которые дают ощутимые практические результаты, обеспечивающие достиже-ние баланса между мировыми ресурсами и растущим народона-селением планеты. Отсутствие такого баланса может привести к замедлению или прекращению прогресса, что чревато глобаль-ными катастрофами. Прогресс связан с международной интегра-цией, международным разделением труда, улучшением качества медицинской диагностики, автоматизацией и компьютеризацией промышленности, повышением эффективности и безопасности различных видов транспорта, биологическими и космическими исследованиями. Экспоненциально возрастающие потребности общества диктуют такое же экспоненциальное развитие новых средств связи и коммуникации, резкое возрастание роли инфор-матики и информационных систем. Микроэлектроника удовле-творяла этим условиям, поскольку обеспечивала создание ин-формационных технологий, отвечающих запросам времени. В силу этого, с начала 1960-х гг. микроэлектроника и ее новые на-правления стали активно развиваться.

Военное противостояние СССР и США вызвало беспре-цедентную гонку вооружений, связанную в первую очередь, с необходимостью создания высокоточных изделий электронной техники (ИЭТ). Запуск Советским Союзом в 1962 г. пилотируе-мого космического корабля с человеком на борту подстегнул раз-витие космической программы США, выполнение которой было невозможно без создания больших интегральных схем и цифро-вых компьютеров, основанных на микроэлектронных технологи-ях. К 1966 г. годовой бюджет НАСА достиг рекордной цифры в 6 млрд. долларов. Правительства ведущих стран понимали, что только создание мощной микроэлектронной базы является зало-гом стратегического паритета, что стало важной, если не основ-ной частью государственной политики. Развитие ИЭТ шло по пути миниатюризации и расширения функциональных возмож-ностей при одновременном повышении качества, надежности и снижения стоимости.

На развитие микроэлектроники также оказали важное влияние социальные факторы. Во-первых, внешней угрозе в ус-ловиях "холодной войны" сопутствовала атмосфера националь-ного подъема и мобилизации лучших инженерных и научных умов в СССР и США. Во-вторых, широкое проникновение элек-троники в сферу бытовых приборов, их коммерческий успех у населения сформировали "социальный заказ": потребность в но-вых и более совершенных приборах стимулировала разработчи-ков и производителей к ускоренному внедрению изделий элек-тронной техники.

Интегральные и сверхбольшие интегральные схемы

Планарная технология изготовления интегральных схем на длительный период вплоть до сегодняшнего дня определила концепцию развития ИС. В 1960-х гг., в качестве ответной меры на разработку Советским Союзом ракетных двигателей, по мощ-ности превосходящих американские, в США была развернута программа совершенствования межконтинентальных баллисти-ческих ракет "Минитмен". В рамках данной программы предпо-лагалось создание микросхем, которые могут резко снизить массу и габариты электронного оборудования. Эта программа стимули-ровала выпуск интегральных схем с невиданными ранее темпами - 4000 штук ИС в месяц. Лидером стала американская фирма Texas Instruments, сохранявшая приоритет до 1980-х гг. И сейчас она является одной из ведущих в этой области.

Успехом в технологии стало изготовление транзистора со структурой металл-окисел-полупроводник - МОП транзистора, (синоним - МДП-транзистор, металл-диэлектрик-полупроводник). МОП-транзистор был разработан С. Хофштей-ном и П. Хейманом в корпорации RCA в конце 1962 г. Это изо-бретение было крайне важным для микроэлектроники. МОП-транзисторы отличались от своих предшественников - биполяр-ных плоскостных транзисторов простотой структуры и малыми размерами, а схемы на их базе имели низкую потребляемую мощность. Планарная технология идеально подходила для их из-готовления, и в дальнейшем подавляющее большинство ИС изго-тавливалось по МОП технологии.

К 1963 г. компания RCA выпускала схемы, содержащие несколько сотен МОП-транзисторов. Недостатком этих микро-схем была чувствительность к статическим зарядам: небольшое перенапряжение пробивало слой окисла и разрушало транзистор. На первых порах это затрудняло широкое промышленное вне-дрение МОП технологии.

В середине 1960-х гг. военная "монополия" применения ИС закончилась, хотя и в дальнейшем военная отрасль всегда вы-ступала первым заказчиком и потребителем новейших разрабо-ток. Микросхемы стали применять практически во всех изделиях промышленной и бытовой электроники: больших и малых ЭВМ, настольных калькуляторах, кассовых аппаратах, телевизорах, ра-диоприемниках, магнитофонах, стереофонической аппаратуре, устройствах цифрового управления, телефонных коммутаторах и т.п. Ведущее положение в мире по их выпуску до 1980-х гг. со-храняла фирма Texas Instruments. В этот же период значительные успехи в микроэлектронике были достигнуты в СССР. В услови-ях жестких ограничений на импорт интегральных схем здесь бы-ла создана отечественная элементная база микроэлектроники, построены полупроводниковые заводы в Москве, Зеленограде, Воронеже и других городах. В становление отечественной мик-роэлектроники огромный вклад внесли А. Шокин, Г. Старос, К. Валиев, А. Лукин и др.

Технология изготовления ИС прогрессировала: количест-во транзисторов на чипе достигало сотен и тысяч. Такие схемы получили название больших интегральных схем (БИС). Строились прогнозы относительно сверхбольших ИС (СБИС). Но воз-никла проблема "тирании количества" - формирование множества элементов и соединений при изготовлении микросхем, что требо-вало повышения их надежности и значительно увеличило число контрольных операций на всех этапах технологии. Ранее эта же проблема сдерживала развитие гибридных микросхем и вызвала появление планарной технологии.

В 1969-1971 гг. компания Intel разработала цифровые БИС, обладающие принципиально новыми возможностями. Это были первые микропроцессоры моделей 4004 и 8008, изготовленные по МОП- технологии с гибкой перепрограммируемой логикой. С этого момента выпуск МОП БИС резко вырос. Модернизация микросхем пошла высокими темпами, рынок их стремительно расширялся.

Следующим шагом стало создание БИС на комплиментарных (взаимодополняющих) транзисторах со структурой металл-окисел-полупроводник (КМОП). Сначала это были микро-схемы с низким быстродействием и небольшой плотностью размещения элементов, которые, правда, обладали рекордно низким энергопотреблением. В бытовой технике на их базе строились наручные электронные часы с миниатюрной батарейкой, для ко-торых основным требованием была низкая потребляемая мощность. Однако в начале 1970-х гг. КМОП-технологии, обеспечивающие микромощное потребление, утвердились в качестве важнейшего направления развития микроэлектроники.

В середине 1960-х гг. началось триумфальное и всеобъемлющее шествие микроэлектроники по планете. Две сверхдержавы - США и СССР стали лидерами в микроэлектронике, причем отставание СССР было всего на 2 - 3 года. Затем новые технологии БИС широко распространились в Европе, Японии и Юго-Восточной Азии. Европейские фирмы Philips, Thompson, Siemens, японская компания Soni, южнокорейская - Samsung раз-рабатывали и внедряли новые микросхемы. К середине 1980-х гг. японским компаниям удалось обойти американцев и завоевать рынок в области микросхем памяти. Однако всеобщее и несо-мненное лидерство в микроэлектронике оставалось за США.