. Проф. И.Г.Неизвестный НГТУ, ИФП СО РАН От вакуумной электроннолй лампы до

Проф. И.Г.Неизвестный
НГТУ, ИФП СО РАН

От вакуумной электроннолй лампы до ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ В ДВАДЦАТЬ ПЕРВОМ ВЕКЕ

Вводная лекция семинара История и Методология Науки и техники . 8 сентября 2016

стеклянной колбе.
С этой целью в одном из опытов он

ввёл в вакуумное пространство лампы металлическую пластину с проводником, выведенным наружу. При экспериментах он заметил, что вакуум проводит ток, причём только в направлении от металлического электрода к накалённой нити и только тогда, когда нить накалена..
Впоследствии это явление получило название термоэлектронная эмиссия.
В 1905 году этот «эффект Эдисона» стал основой британского патента Джона Флеминга на «прибор для преобразования переменного тока в постоянный» — первую электронную лампу, ДИОД открывшую век ЭЛЕКТРОНИКИ 

Триод(«аудион») Ли де Фореста, 1906 г.

Электроника началась с вакуумных ламп
«ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

анод и два вывода нити накала. Нить накала нужна для

того, чтобы разогреть катод , чтобы с него полетели электроны, СОЗДАВАЯ электрический ток через лампу.

Для этого обычно на нить накала подается напряжение - 6,3 или 12,6 В


Кроме того, чтобы полетели электроны - нужно высокое напряжение (200-250в)между катодом и анодом.

таким образом, создал триод). Такая лампа могла уже работать в качестве усилителя тока,

а в1913 году на её основе был создан автогенератор. В 1921 году А. А. Чернышёвым
предложена конструкция цилиндрического подогревного катода (катода косвенного накала).

Вакуумный триод

Российская экспортная радиолампа 6550C

в Петербурге.
Уже в 1918 году М.А.Бонч-Бруевич. начал выпуск в Новгор.РЛ

первых советских вакуумных приёмных ламп, а в 1920 году изготовил первую генераторную лампу мощностью 2кВт, затем 25 кВт ставшей основой создания Центральной радиостанции Коминтерн с радиусом действия 2000 вёрст.
Эти достижения опередили мировую радиотехнику, не имевшую в то время ни таких ламп, ни радиостанций подобных мощностей. Генераторные лампы с водяным охлаждением – изобретение Б-Б были затем скопированы за границей.

2003г

в 1920 г. открыть первую радиовещательную станцию в США (г.

Питсбург). В 1921 г. заработала первая радиовещательная станция во Франции. В 1922 г. была создана Британская Вещательная Компания (British Broadcasting Company - BBC).

В 1923 г. вступила в эксплуатацию московская радиостанция имени Коминтерна с передатчиком мощностью12 кВт. Станция работала на волне 3000 м.

Шуховская башня высота 160 метров
Построена в 1920-1921г
(ФОТО 2013 ГОД)

предыдущей, а потом инженерным способом поднимали и ставили на последнюю.

Даже в способе сооружения постройки было что-то революционное.
Это была не первая в России вышка подобной конструкции. В 1896 году на Всероссийской художественно-промышленной выставке в Нижнем Новгороде Владимир Шухов в сотрудничестве с компанией Александром Бари выстроил свою первую башню из стальных сетчатых оболочек.
Сейчас она стоит в усадьбе Полибино в Липецкой области.

По проектам Шухова в дореволюционные и советские времена было выстроено около 500 мостов, в том числе через такие широкие и полноводные реки, как Волга и Енисей.

Владимир Григорьевич Шухов

1853-1939)

недостатком электронных ламп было то, что устройства на их основе

были довольно громоздкими. Для питания ламп необходимо было подводить дополнительную энергию для нагрева катода (именно он испускает электроны, необходимые для тока в лампе), а образованное ими тепло отводить.

Например, в первых компьютерах использовались тысячи ламп, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Весила такая машина десятки тонн. Для её работы требовалась электростанция. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы в связи с выделением лампами огромного количества тепла.

Пик расцвета («золотая эра») ламповой схемотехники пришёлся на 1935—1950 годы.

и отечественных ЭВМ представленные  вакуумными диодами и триодами.
 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer —

электронный числовой интегратор и калькулятор). Весной 1945 года она была построена для целей оборонных ведомств.

ENIAC содержала 178468 ламповых триодов и 7200 кристаллических диодов , а также  4100 магнитных элементов.

в 1948 году разработал и предложил первый проект отечественной цифровой

электронной вычислительной машины. В дальнейшем под руководством академика С. А. Лебедева и В. М. Глушкова разрабатывается целый ряд отечественных ЭВМ. Сначала это была МЭСМ – (малая электронная счетная машина 1951 год, Киев), затем БЭСМ-6  — быстродействующая электронная счетная машина (1952 год, Москва).

ЭВМ БЭСМ
1952 год

для создания высококачественных акустических систем. Даже самые лучшие образцы полевых

транзисторов не могут обеспечить того качества звука, которое обеспечивают электронные лампы. Это происходит по одной главной причине, электроны в вакууме, не встречая сопротивления, перемещаются с максимальной скоростью, чего невозможно добиться при движении электронов сквозь твердые полупроводниковые кристаллы. Электронные вакуумные дампы более надежны в работе нежели транзисторы, которые достаточно просто вывести из строя. К примеру, если транзисторная электроника попадает в космос, то рано или поздно ее транзисторы выходят из строя, "поджаренные" космическим излучением. Электронные лампы же практически не подвержены воздействию радиации.

Но Сейчас созданы Наноразмерные «твёрдотельные вакуумные лампы»
, у которых имеется нить накаливания и один электрод, имеющие размеры в 150 нанометров. Зазор между электродами лампы настолько мал, что наличие в нем воздуха не является помехой для их работы, вероятность столкновения электронов с молекулой воздуха стремиться к нулю.
ДЕЛО БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ И УЧЁНЫХ !!!

в 1948 г., наконец, нашлась в виде транзистора (от англ.

transfer resistor – «трансформатор сопротивлений» -
полупроводникового электронного прибора, управляющего током в электрической цепи, за счёт изменения входного напряжения.

Экспериментально во всех полупроводниках обнаруживается присутствие двух типов электрических токов.
Первыйобусловлен свободными электронами и называется электронным (n-тип, от англ. negative -- отрицательный).
Второй объясняется движением электронов, связанных с атомами. Он называется дырочным (p-тип, от англ. positive -- положительный).
На границе раздела областей с различными типами электропроводимости образуется запирающий слой – P-N ПЕРЕХОД
  
Простейший биполярный транзистор имеет в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода:

Эмиттеру, базе и коллектору соответствуют катод, сетка и анод трехэлектродной радиолампы - триода.

1947 г. В этот день в одной из лабораторий Bell

Labs заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен он был очень просто - на металлической подложке-электроде лежала пластинка поликристаллического германия (Ge), в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта. Авторы изобретения - Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн.

Cam.Phys.Soc.84,598.(1938)
Контакт между металлом и диэлектриком или полупроводником
3. Shottky Zs.I.Phys.

113, 307. (1939)
О теории полупроводников, выпрямителей и детекторов

"Исследование запирающих слоев методом термозонда" (Известия АН СССР. Сер.физ.Т5, 1941)

и в соавторстве с К.М. Косоноговой статью "Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди" (там же). Он установил, что обе стороны "запорного слоя", расположенного параллельно границе раздела медь - закись меди, имеют противоположные знаки носителей тока.
(Это явление получило затем название p-n перехода (p - от positive, n - от negative).
В.Е. Лашкарев раскрыл и механизм инжекции - важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.
Первое сообщение в американской печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в июле 1948 г., спустя 7 лет после статьи В.Е. Лашкарева.

Необходимо отметить ,что

Изобретение транзистора

Первый выращенный кристалл

кремния

1958- 59 Оксидная пассивация и диффузионная маска

- 64 Структуры Металл-Окисел – Кремний и МОП транзистор

Первая планарная Интегральная Схема

1967 Транзисторная динамическая запоминающая ячейка

Первый массовый персональный компьютер

1992 Послано первое SMS сообщение

1991 В ЦЕРНе создан первый Интернет сайт

1996 Toshiba представила первый DVD диск

наук и в результате воспитывать и обучать специалистов широчайшего профиля.

в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком

сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток Iси. Чем выше напряжение на затворе транзистора Uзи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

металл

диэлектрик

полупроводник

1962-64гг

раз
От 10 мкм до 22 нм
1нм ~

В 10 000 раз тоньше человеческого волоса

Генеральное направление на увеличения быстродействия МДП-транзистора Уменьшение длины канала

10 нм

45 нм

удваивается каждые два года, а цена элемента должна падать вдвое.

В 1975 году Мур добавил к первоначальным отметкам новые

Закономерность сохранялась!

Ещё раз Мур проверил своё «предсказание» в 1995 году.
Вывод был - «Это не скоро кончится!»

мелким внедрённым орнаментом.
1. В диэлектрике протравливаются канавки для

проводниковых дорожек
2.Вся поверхность покрывается материалом не допускающим диффузии Cu, но проводящим ток (напр.нитридом титана или вольфрама)
3.На всю поверхность наносится толстый слой меди, переполняющий канавки
4. Химико-механической полировкой,( процесс, которой останавливается на границе с диэлектриком) получают плоский слой изолятора с внедрёнными Cu дорожками, которые не выходят по высоте из этого изолятора
5. Сверху поверхность покрывается ещё одним барьерным
слоем, который вытравливается (литография) над изолятором
НО НЕ НАД медными ДОРОЖКАМИ
6. Осаждается межслойный изолятор.

Использовать медь вместо алюминия хотели давно из за меньшего удельного сопротивления. Мешала быстрая диффузия меди при прогреве особенно в кремний – «медное отравление»

на чиповых фабриках мира. Это сканер-степпер голландской фирмы ASML TWINSCAN

XT1700i [8], обеспечивающий
производство порядка 100 кремниевых пластин диаметром 300мм в час c эксимерным лазером ArF c длиной волны 193 нм занимает 60 квадратных метров и весит несколько тонн

Разрез и структура
Типичного
«изображающегообъектива»

промежуточный слой жидкости между пластиной и объективом
3.Двойное экспонирование
Размеры меньше длины

волны лазера 193 нм – ниже диффракционного предела !
Получаются с помощью применения:

Вода в системе, работающей на ультрафиолетовом свете с длиной волны 193 нм (ArF), имеет показатель 1.44.

Разрешение оборудования увеличивается на 30-40 %

ЭУФЛ
Амер Т (Короткая) =907 кг АнглТ (длинная)=1016кг

свинца индуцируемая электрическим разрядом или лазером.
Два вращающиеся диска касаются расплавленного

свинца, захватывая тонкий слой расплавленного металла (свинец)
2. Пульсирующий луч лазера «стреляет» по краю диска , создавая «облачко» свинца между двумя электродами
3. Ток разряда конденсаторной батареи (5000 В и 20 000А) индуцирует магнитное поле сжимающее облако в шнур
4. В течении нескольких наносекунд этот «токовый шнур» разогретый до 200 000 градусов излучает фотоны с длиной волны

13,5 нанометров

инверсионного слоя позволяя увеличивать рабочий ток транзистора

сторонах «акульего плавника», или осуществляет режим полного обеднения.

( в том числе и Полное обеднение на КНИ!)

Новый FIN- транзистор улучшает выходные характеристики для той же длины канала , но при меньшем напряжении
БЫСТРОДЕЙСТВИЕ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ НА 37%

На 50% снижает потребляемую мощность
Всего на 2-3% увеличивает стоимость технологии
(КНИ на 10%)
На основе этой технологии, при использовании структуры включающей металлический затвор, Н-k диэлектрик и механическое растяжение канала
Cформирована матрица памяти на 364 Мбита содержащая более 2,9 миллиарда транзисторов

транзисторной технологии INTEL
Внедрении новой технологии позволило сохранить лидерство в обеспечении

продвижения по закону Мура по увеличению быстродействия, плотности размещения на чипе и стоимости

технология обеспечивает электрическую связь между несколькими, расположенными друг над другом

ИС, вертикальными металлическими проводниками.
УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ПЛОТНОСТЬ УПАКОВКИ, СНИЖАЕТСЯ СТОИМОСТЬ , УЛУЧШАЮТСЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд.
При

программировании , вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал — поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают туннельный слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет.
Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а больше его, — нулю.
При чтении эти состояния распознаются путем измерения тока через транзистор. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

(также известна как PCM, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide

RAM и C-RAM) — новый тип энергонезависимой памяти.
PRAM основывается на уникальном поведении халькогенидов (GeSb), которые при нагреве (затем охлаждении) могут «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным.
Первичное использования эффекта –
CD и DVD ДИСКИ
переключение и считывание ЛУЧОМ ЛАЗЕРА

Патент под номером 3,448,302, выданный Овшинскому, ознаменовал появление первой устойчиво

функционирующей памяти на основе фазового перехода

Стэнфорд Овшинский (1922-2012)
Один из основателей и главный технолог компании Energy Conversion Devices (ECD), автор более 400 патентов

(напряжения)ТЕМПЕРАТУРА!. Лазерные диски с перезаписью.

Совсем недавно ученые предложили первые одноэлектронные транзисторы на основе графена,

способные функционировать при комнатной температуре. Теперь собственные разработчики всемирно известной корпорации Hewlett Packard объявили об обнаружении четвертого пассивного элемента электронных цепей-МЕМРИСТОРА, способного перевернуть всю индустрию вычислительной техники
с ног на голову.

его главное преимущество перед ними заключаются в том, что он

не хранит свои свойства в виде заряда.
Это означает, что ему не страшны утечки заряда, с которыми приходится бороться при переходе на микросхемы нанометровых масштабов, и что он полностью энергонезависим. Проще говоря, данные могут храниться в мемристоре до тех пор, пока существуют материалы, из которых он изготовлен.
Для сравнения: нано флэш-память на основе МНОП транзистора начинает постепенно терять записанную информацию уже после года хранения без доступа к электрическому току.

из тонкой 50-нм плёнки, состоящей из двух слоёв - изолирующего

диоксида титана и слоя, обеднённого кислородом.
Плёнка расположена между двумя платиновыми
5-нм электродами. При подаче на электроды напряжения, изменяется структура диоксида титана: благодаря диффузии кислорода его электрическое сопротивление увеличивается на несколько порядков (в тысячи раз). При этом после отключения тока изменения в ячейке сохраняются. Смена полярности подаваемого тока переключает состояние ячейки, причём, как утверждают , число таких переключений не ограничено.

. Знак напряжения на верхнем электроде.
Предполагаемая физика работы резистивной памяти

В исходном состоянии система-металл-окисел металл обладает высоким сопротивлением(HRS). До начала процесса переключения необходимо осуществить мягкий пробой (формовка!) - образуется «шнур» с низким сопротивлением (LRS). Атомы кислорода при этом освобождаются от связи с металлическими атомами окисла и переходят(накапливаются) на аноде.
При включении затем от нуля положительного напряжения имеем LRS . Минус на аноде заставляет атомы кислорода мигрировать обратно и соединяться с металлом окисла – восстанавливается диэлектрическое состояние - HRS.

“RRAM based on metall oxide”.H.Akinaga Proc.IEEE v.98,No12, December,2010

:

Молекулярная электроника - Электроника, в которой в качестве элементарных блоков

выступают молекулы или их фрагменты
2. Спинтроника (Спиновая электроника) — раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах ферромагнетик-парамагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.
«Спин» НЕ переносится! Происходит перемещение спин-поляризованных электронов с одного ферромагнитного слоя на другой!
3. Квантовый компьютер .↑  вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики.  «Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счёт того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно»

Манин, Ю.И. Вычислимое и невычислимое. — М.: Сов. радио, 1980. — С. 15.

ФРГ 2004г.
Солнечная Электростанция в Испании

Si МДПТ с параметрами транзистора на аморфном кремнии, достаточными для

обеспечения мобильного телефона и др. ДЕШЁВЫХ БЫТОВЫХ ПРИБОРОВ.

А)Поверхномсть нанесённой из пульвелизатора Si наночастиц плёнки

В) Увеличение показывает кластерную ст-ру плёнки

С) Рисунок тр-ра с нижним электродом 1-затвор;2-диэлектрик; 3-полупроводник; 4-а,в – исток ,сток 4с –контакт к затвору

В процессе печати меняются чернила :
Серебро (контакты), Si – п/п , диэлектрик

представляет собой эластичную ленту, на которой располагаются электрические цепи (принцип

гибкой контактной цепи). Благодаря такой конструкции, Phone-Card-Phone можно гнуть в разные стороны или даже - при желании - разорвать. Аппарат не оснащен встроенными динамиком и микрофоном, поэтому разговаривать можно только при помощи подключенной гарнитуры.
Стоимость такого телефончика составит примерно $10.

отвечает за включение и выключение телефона, а вторая служит для

доступа к номеру экстренной помощи. Работает трубка только на исходящие вызовы - номер произносится и опознается благодаря специальному программному обеспечению, установленному у оператора связи. Пользователь должен произносить номер "поцифренно", четко и раздельно. И хотя с Ready-to-Go пока можно совершать только исходящие вызовы, в компании говорят, что скоро он сможет принимать и входящие.

людей
Генератор Pavegen под воздействием каждого шага деформируется всего на пять

миллиметров, вырабатывая при этом 2.1 ватта энергии.

Получаемая энергия накапливается в литиевых полимерных аккумуляторных батареях И может использоваться для снабжения энергией освещения, светящейся рекламы, автоматических дверей, торговых автоматов и других потребителей электроэнергии.

Drivers:

в каждом на берегу реки Колумбия ( штат Даллес США)

Мура».
Сентябрь 1970: Гордон Мур публикует свои исследования в журнале Electronics: первый прибор фазовой

памяти, 256 бит

более длительный импульс-медленное остывание -зародыш- кристаллическое состояние- малое сопротивление
Стирание:большее напряжение(ток)

и быстрое охлаждение-аморфное состояние-высокое сопротивление

Быстрее и Долглвечнее!

напряжения в канале
(November 26, 2010) Half-day Symposium (11/16/10, Santa

Clara, CA) on technical challenges in 28nm CMOS and beyond.

в 1948 г., наконец, нашлась в виде транзистора (от англ.

transfer resistor – «трансформатор сопротивлений» -
полупроводникового электронного прибора, управляющего током в электрической цепи, за счёт изменения входного напряжения.

Экспериментально во всех полупроводниках (12 химических элементов в средней части таблицы Менделеева), при условии внедрения в них некоторых примесей, например, мышьяка или сурьмы, обнаруживается присутствие двух типов электрических токов. Первый, как предполагается, обусловлен свободными электронами и называется электронным (n-тип, от англ. negative -- отрицательный). Второй объясняется движением электронов, связанных с атомами. Он называется дырочным (p-тип, от англ. positive -- положительный). На границе раздела областей с различными типами электропроводимости образуется запирающий слой (англ. barrier layer). Благодаря этому слою, для одних токов транзистор ведет себя как проводник, а для других -- как изолятор.
   Простейший биполярный транзистор имеет в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода: эмиттер, базу и коллектор. Эмиттеру, базе и коллектору соответствуют катод, сетка и анод трехэлектродной радиолампы - триода.