1-26. Плотность сборки и молекулярная электроника
Современные разработки электронных систем отличаются стремлением решать весьма разнообразные и сложные задачи в одном устройстве. Увеличению количества приборов в одной системе препятствует ограничение объема и веса, допустимых в ракетах и самолетах. Повышение мощности двигателей и увеличение запасов горючего также нежелательно. Например, каждый дополнительный килограмм оборудования самолета вызывает увеличение взлетного веса на 10—20 кг, а у космической ракеты — более чем на 1 000 кг. Кроме того, критическими являются потребляемая мощность и надежность работы. От приборов, применяемых в настоящее время в авиации, требуется не менее 200 ч безаварийной работы, а от приборов для космических полетов — не менее 10 000 ч. В связи с этим последние годы ведутся интенсивные работы по усовершенствованию радиоэлектронной аппаратуры, уменьшению размеров, повышению надежности и снижению потребляемой мощности.
С этой целью в сложных радиоэлектронных устройствах применяются печатные схемы, их разнообразные видоизменения, миниатюрная электроника, сверхминиатюрная электроника, микро- и молекулярная электроника.
Миниатюрная электроника.
Трехмерные печатные схемы дают возможность уменьшить размеры узлов и блоков по сравнению с размерами узлов и блоков, соединяемых проволокой. Используются керамические пластины размерами 22X22X0,6 мм, содержащие 12 канавок с отпечатанными проводящими серебряными дорожками. На них монтируются миниатюрные детали. Пластинки, оснащенные деталями, накладываются друг на друга и при помощи проволочных стоек, соединенных с проводниками в канавках, поддерживаются на требуемых расстояниях друг от друга, образуя «этажи». Проволочные стойки частично служат для электрического соединения отдельных этажей. Несколько соединенных между собой пластинок составляют блок (модуль), который может выполнять функции нескольких каскадов.
Производство деталей, керамических пластинок, а также монтаж деталей на керамических пластинках в большой степени механизированы. В поточном производстве ведутся испытания отдельных частей при помощи автоматически подключаемых приборов.
На верхней стороне собранного блока, имеющего высоту примерно 25—60 мм, устанавливается ламповая панелька с миниатюрной лампой. Для защиты от действия влаги собранный блок покрывается лаком. Телевизор, собиравшийся ранее из 150 отдельных деталей, состоит из 17 таких блоков. Блоки выполняются по определенным стандартам и поэтому легко заменяются. Ремонт неисправных блоков невозможен, они заменяются новыми блоками, благодаря чему уход за аппаратурой значительно упрощается. Плотность заполнения деталями достигает 0,3 на 1 см3.
Сверхминиатюрная электроника основана на новом способе изготовления надежных блоков—способе термоэлектронных интегрированных модулей. Для этой цели используют керамические электронные лампы наименьших размеров и другие детали аналогичной конструкции для рабочей температуры между 500 и 700° С. Лампы, состоящие из титана и керамики, не имеют подогревателей, так как при окружающей температуре 500—700° С катод излучает достаточно электронов для нормальной работы блока.
Например, диод состоит из титанового анода, оксидного катода и керамического кольца в качестве прокладки. Для триода в качестве сетки применяется дополнительная титановая пластинка с пробитыми отверстиями. Отдельные части каждой лампы накладываются друг на друга, откачиваются и спаиваются при температуре 1000° С.
Сопротивления и конденсаторы собираются из титана и диэлектриков.
Микроэлектроника позволяет произвести дальнейшее уменьшение размеров блоков в 10 раз (по сравнению с трехмерными печатными схемами) и автоматизировать производство. В микроэлектронных блоках все функции электровакуумных приборов должны выполняться полупроводниковыми приборами. Схемы на транзисторах должны выполнять и функции реле. Детали схемы монтируются на керамических пластинках. Пластинки размерами 7,6X7,6X0,25 мм имеют 12 канавок и ряд отверстий. Отверстия в пластинках служат для крепления диодов, транзисторов и других элементов. В канавках могут размещаться конденсаторы. На одной керамической пластинке несом 50 мг печатается до четырех сопротивлений от 10 до 106 Ом.
Пластинки, оснащенные деталями, группируются друг на друге с расстоянием между ними в 6 мм и крепятся при помощи проволок, соединенных с канавками. Посеребренные проволочные держатели служат частично для схемных соединений.
Для защиты от воздействия влаги отдельные пластинки или блоки покрываются искусственной смолой. Разнообразие имеющихся типов блоков дает возможность выполнить 3/4—4/5 встречающихся в настоящее время радиоэлектронных схем. Полный радиоприемник может по объему равняться нескольким кускам пиленого сахара. Плотность сборки может достигать 20 деталей на 1 см3.
Молекулярная электроника приводит к еще большей плотности расположения деталей посредством ввода примесей и осаждения испарением.
Ввод примесей. Исходным материалом является полупроводниковый монокристалл, к которому примешиваются Посторонние атомы. Такая примесь придает отдельным местам свойства пассивного или активного элемента схемы.
Из полупроводникового монокристалла при помощи диффузии и травления можно создать опрокидывающую схему, эквивалентную схеме, состоящей из двух транзисторов, восьми сопротивлений и двух конденсаторов. Размеры блока составляют 6,3X3,2X0,8 мм. Плотность расположения деталей достигает 700 на 1 см3.
Созданный методами молекулярной электроники фотоуправляемый усилитель из полупроводника имеет объем 0,016 см3, вес 0,02 г и потребляет мощность 0,06 вт. B обычных усилителях для этого требуется 14 деталей (включая три транзистора и один фотоэлемент) при общем объеме 16 см3, весе 7 г и потребляемой мощности 0,75 вт.
Способ молекулярной электроники означает, что конструкторы аппаратуры имеют дело не с отдельными деталями (сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, лампами, диодами и транзисторами), а с электрическими и магнитными полями, зарядами, опинами и взаимодействием полей и зарядов внутри кристаллической решетки.
Осаждение испаряемых материалов.
Для получения заданной схемы, в которой атомы и молекулы соответствующим образом наслаиваются друг на друга, можно использовать твердое тело. Определенная последовательность проводящих, полупроводниковых и изоляционных слоев создает при подаче напряжения требуемое изменение тока. На заданное основание испаряются и осаждаются в вакууме в виде тонких пленок по желанию проводники, полупроводники и диэлектрики.
Возможность одновременного испарения и осаждения материалов с различными точками плавления, кипения и конденсации требуемых смесей обеспечивает создание новых приемов получения сплавов. Управление процессом осаждения возможно посредством перфорирования магнитных лент. Возможная плотность -сборки деталей составляет 1 000 на 1 см3.
Молекулярная электроника устремлена на достижение все больших плотностей расположения деталей.
По-прежнему ее идеалом является плотность элементов в мозгу человека.
ПРАВДИВЫЙ ПОВЕСТВОВАТЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В. В. Петров (1761—1834 гг.)
Василий Владимирович Петров в 1795 г. получил звание экстраординарного профессора Медико-хирургической Академии и устроил при академии богатый физический кабинет. Здесь он произвел множество ценных экспериментальных исследований. Он изучал процессы горения и окисления. Он первый установил различие в причинах свечения фосфора, плавикового шпата и самосветящихся веществ органического происхождения.
В конце 18 в. сведения о воздействии электрического тока на различные вещества были крайне неполны и отрывочны. Да и сами понятия — ток, напряжение, сопротивление — не были еще установлены.
«Гораздо надежнее, — писал Петров, — искать настоящего источника электрических явлений не в умственных мудрствованиях, к которым доселе только прибегали все физики, но в непосредственных следствиях самих опытов».
Петров построил огромную электрическую батарею. В свое время она была самой мощной во всем мире. Никто до этого не исследовал так систематически взаимодействие между электрическим током и веществом. Петров открыл факты, лежащие в основе современной науки об электричестве, в основе современной электротехники.
Петров обнаружил между проводниками, присоединенными к большой батарее, «светоносное явление» — длительный электрический разряд, который теперь принято называть электрической дугой.
Петров подметил, что не все угли, между которыми он возбуждал дугу, одинаково проводят электрический ток. Он первый дал классификацию углей и других проводниковых материалов на «хорошо» и «дурно» проводящие.
Петров исследовал поведение электрического разряда под колоколом воздушного насоса и первый установил, что с понижением давления воздуха облегчается прохождение электрического тока через пространство между электродами. Он же подметил влияние изолировки проводников, идущих от батареи, на ее действие, дал первую классификацию изоляторов и придумал практические приемы повышения изоляции, применимые и поныне: пропитывание дерева маслом, покрывание его лаком и т. д.
Свои исследования по электричеству Петров изложил в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах», изданной в 1803 г. В статье VII этой книги он пишет: «Напоследок посредством огня, сопровождающего течение гальвани-вольтовской жидкости, при употреблении огромной батареи, пытал я превращать красные свинцовые и ртутный, а также сероватый оловянный оксиды в металлический вид». И эти опыты удались. Петров при воздействии электрического тока получил из окислов восстановленные металлы.
Ныне электрометаллургия — одна из важных ветвей электротехники. Алюминий, магний, цинк и многие другие металлы получаются теперь исключительно электротехническим путем.
В течение 40 почти лет неустанно производил В. В. Петров физические и химические исследования. Всю жизнь он соблюдал «священный закон: быть всегда правдивым повествователем физических явлений, которые будут представляться его чувствам».
Петров умер 3 августа 1834 г. Его преемником в Академии наук был Э. X. Ленц, знаменитый своими исследованиями по электромагнетизму.
