Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960-е годы
Николай Симонов, 2013

Монография посвящена проблеме становления электроники – самой передовой и наукоемкой отрасли советской экономики, в т. ч. созданию первоначальной производственной базы и формированию структурообразующих научно-производственных и технологических комплексов: электровакуумной и полупроводниковой промышленности и микроэлектроники. В контексте смены поколений элементно-конструкторской базы анализируется развитие средств массовой коммуникации, которые создавали для электронной промышленности рынок сбыта конечной продукции в виде комплектующих изделий, предназначенных для серийного производства широковещательных радиоприемников и телевизоров. Автор, доктор исторических наук Н. С. Симонов, проделал значительную работу по выявлению в федеральных архивах новых документальных материалов, относящихся к теме исследования. Это позволило ввести в научный оборот новые факты и документы и сформулировать концептуальные положения, актуальные в свете нынешних дискуссий о причинах краха советской модели плановой экономики и ее последующей деиндустриализации. Для специалистов промышленного сектора, государственных служащих, преподавателей и аспирантов вузов, студентов, изучающих информатику, управление и экономику высоких технологий.

Введение

В современном обществознании принято считать, что в 1970–1980-е годы в результате прогресса электроники, средств массовой коммуникации и телекоммуникаций в мире произошла «революция в организации и обработке информации и знания» (Д. Белл), которая запустила процесс построения «информационного общества», для которого характерно:

• ускорение информационного обмена между участниками рынка и представителями профессиональных сообществ;

• создание глобального экономического и культурного пространства;

• ориентация производства не на объем, а на качество и разнообразие продукции;

• интенсификация производства и повышение производительности совместного (коллективного) и общественного труда;

• социальная интеллектуализация индивидуального труда и увеличение творческого потенциала личности;

• повышение эффективности государственного и корпоративного управления.

* * *

Все важные исторические события можно разделить на две категории: начало чего-то нового и ключевые этапы, своего рода вехи развития какого-либо направления, без которых история складывалась бы совсем иначе. Это в полной мере относится к истории электроники и электронных средств массовой коммуникации (радио и телевидение).

Спору о том, кто изобрел радио: Александр Попов или Гульельмо Маркони, — уже больше ста лет; как и спору о том, пришли ли они к одной мысли независимо друг от друга, или нет. В 1897 г. Маркони получил британский патент № 12039 «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов в передающем аппарате». В том же году он учредил (при поддержке британского почтового ведомства) «Беспроводную телеграфную компанию», которая добилась выдающихся успехов в производстве и продаже радиотелеграфного оборудования по всему миру. В общих чертах, как считают специалисты, приёмник Маркони воспроизводил «телефонный приёмник депеш» Попова, а передатчик — «вибратор» Герца, усовершенствованный французом Эдуардом Брэнли («датчик радиоволн» или «когерер»).^[1]

В Англии «отцом радио» считают профессора Бирмингемского университета сэра Оливера Лоджа (Sir Oliver Joseph Lodge). В 1898 г. сэр Лодж (он также считается изобретателем электрической свечи зажигания в цилиндрах бензиновых двигателей) предложил использовать «индукционную катушку Румкорфа или антенный контур в беспроводных передатчиках или приемниках». Однако практической реализацией данной идеи сэр Лодж заниматься не стал, — его больше интересовали проблемы теософии.

Принципиально новым в патентной заявке Маркони было то, что приемное устройство изначально соединялось с телеграфным аппаратом, а передатчик — с ключом Морзе, что и делало радиотелеграфию новым средством электросвязи. Кроме того, магнитный детектор («когерер» — стеклянная трубка, наполненная металлическими опилками) Маркони оказался гораздо чувствительнее эбонитового (вулканизированный каучук с большим содержанием серы) детектора Попова, что признавал и сам Попов.

В 1899 г. Попов добавляет в схему радиоприемника «головные телефоны» — в просторечье, «наушники». В свою очередь, Маркони в 1900 г. патентует «синтонную настройку» — возможность передачи и приема радиосигнала одной радиостанцией, но в разных частотных диапазонах. Встречались, когда либо, Попов и Маркони, лично, и как они друг к другу относились, доподлинно неизвестно, хотя на эту тему в историографии существует несколько, более или менее, правдоподобных версий.

Радиоприемник с кристаллическим детектором и головными телефонами, благодаря своей простоте и дешевизне, на долгое время стал самым распространенным радиоустройством. Главное его преимущество заключалось в том, что он не требовал источника электрического тока. Увеличение дальности связи обеспечивалось возрастанием высоты подвеса вертикального приемного провода (приемной антенны), вплоть до подъема верхнего его конца воздушным змеем.

Улучшить качество детектора Попова и передатчика Маркони смог немецкий физик Карл Фердинанд Браун (Karl Ferdinand Braun). Он заменил эбонит сульфидом свинца (PbS), и тем самым усилил чувствительность кристаллического детектора. Затем он сконструировал конденсаторный контур с направленной антенной, и тем самым увеличил энергию передатчика. Если до этого дальность передачи искрового радиотелеграфа составляла около 20 км, то искровой передатчик Брауна обеспечил дальность действия свыше 10 000 км. В 1897 г. он изобрел осциллоскоп — прибор, в котором переменное напряжение перемещает пучок электронов внутри вакуумной трубки с катодными лучами и оставляет на ее поверхности след. После того, как английским физиком Джозефом Томсоном в 1897 г. был открыт электрон — носитель элементарного электрического заряда — «трубка Брауна» стала называться «электронно-лучевой».

В 1909 г. Браун (совместно с Маркони) получил Нобелевскую премию по физике «в знак признания заслуг в развитии беспроволочной телеграфии». Такую же премию мог получить и Попов, но тремя годами раньше русский ученый скончался от кровоизлияния в мозг в возрасте 46 лет. Гульельмо Маркони пережил А. С. Попова на три десятилетия. Он стал свидетелем и активным участником бурного развития радиотехники и электроники. Постепенно он принял на свои плечи груз славы, прежде распределявшийся на многих пионеров радиосвязи.

Одновременно с Маркони, Поповым и Брауном научно-практической разработкой принципов радиосвязи занимался американский ученый и изобретатель сербского происхождения Никола Тесла, которого иногда называют «Электрическим Прометеем». Электродвигатель переменного тока — превосходный пример одного из изобретений Тесла, которые изменили мир. В 1896 г. Тесла создал «резонанс-трансформатор» радиоволн низкой частоты, колебательная энергия которых распространяется в пространство через радиоантенну. Данное изобретение предназначалось, не много ни мало, как «для освещения, нагрева и передвижения электрического транспорта на земле и в воздухе».

В 1902 г. датский инженер Вальдемар Паульсен (Valdemar Poulsen), будучи уже всемирно известным изобретателем магнитофона, запатентовал способ генерирования радиотелеграфных сигналов с помощью электрической («вольтовой») дуги, электроды которой располагаются между двумя полюсами электромагнита. Дуговые генераторы системы Паульсена позволяли получать незатухающие колебания на частотах до нескольких сотен килогерц. «Выдувание» дуги и, соответственно, модулирование сигнала осуществлялось с помощью промежуточного антенного контура, соединенного с телеграфным ключом. Для приема сигналов дуговых радиостанций вместо кристаллического детектора применялось специальное устройство под названием «тиккер». В России первая дуговая радиостанция (проект С. М. Айзенштейна) вступила в эксплуатацию в 1910 г. в г. Севастополе. Это было громоздкое многотонное сооружение, включающее мощный электромагнит, систему электропитания и водяного охлаждения.

Незатухающие колебания генерировались также с помощью вращающихся искровых разрядников — роторных электромашин (так называемые «машинные передатчики»), работавших со скоростью до 20 000 оборотов в минуту. Частота генерируемого тока достигала десятков килогерц. Для получения более высоких частот к машинному генератору добавлялись цепи умножения частоты в виде трансформаторов. В России первая машина высокой частоты (мощность 2 кВт) была построена в 1912 г. инженером В. П. Вологдиным. В 1915 г. Вологдин разработал машинный генератор для бортовой радиостанции самого большого самолета того времени «Илья Муромец».

В 1906 г. по сведениям Международного бюро телеграфных управлений в мире насчитывалось 332 радиостанции (береговых — 76, судовых — 246). По состоянию на 15 сентября 1912 г. этот показатель составлял 2121 радиостанций (298 береговых и 1824 судовых).^[2] Наиболее широко системы беспроводной телеграфной связи применялись в Великобритании и в США. Следом за ними шли Германия, Франция, Италия и Россия. Основными производителями радиотелеграфного оборудования в мире являлись транснациональная корпорация «Общество Маркони», французская Ducretet (с ней сотрудничал А. С. Попов) и германская «Gesellschaft für drahtlose Telegraphie System Telefunken» (ей покровительствовал кайзер Вильгельм II).

Важным этапом в развитии радиосвязи стало изобретение радиовещания. Проблемой передачи артикулированной человеческой речи модулированной несущей радиочастотой, занимались многие ученые и инженеры, в том числе — изобретатель телефона Александр Белл. Предпринимались попытки применить в конструкции радиотелефона дуговые генераторы, включив в цепь заземления микрофон, но, созданная на патентах Паульсена, компания Federal Telegraph упорно отказывалась от использования электрической дуги в других целях, кроме передачи телеграмм кодом Морзе. Того же мнения придерживался Гульельмо Маркони, компания которого занимала монопольное положение на рынке искровых радиостанций.

Первым, кто продемонстрировал возможности радиовещания, был канадский ученый Реджинальд Фессенден (Reginald Fessenden). В 1906 г., накануне Рождества, он стал автором, звукорежиссером и исполнителем первой в мире «радиопередачи» — радисты на кораблях Северной Атлантики могли явственно слышать через головные телефоны, как изобретатель играет на скрипке и зачитывает отрывки из Библии. Непризнанным соавтором этого технического достижения являлся американский инженер шведского происхождения Эрнст Александерсон, который разработал для Фессендена «машинный передатчик», работавший со скоростью 100 000 оборотов в минуту.

В 1907 г. профессор Петербургского технологического института Борис Львович Розинг подал заявку на изобретение «способа электрической передачи изображений» и вскоре получил первые в мире патенты на электронный телевизор в Англии (1908), Германии (1909) и России (1910). Меж тем, это событие прошло почти незамеченным. До Розинга и одновременно с ним изобретатели уже пытались добиться передачи изображения на расстояние, но при помощи электромеханических устройств.

Превращение радиотелеграфа в средство глобальной электросвязи, соединяющее страны и континенты, и первые опыты радиовещания послужили исходным пунктом развития радиотехники, а затем и электроники, грандиозные успехи которой мы видим теперь повсюду.

Начало развитию электроники (термин в 1904 г. ввел немецкий ученый Артур Рудольф Венельт) положило изобретение электронных приборов для усиления и генерирования слабых токов и высокочастотных колебаний: двухэлектродной лампы-диода (англичанин Джон Флеминг, 1904 г.) и трехэлектродной лампы-триода (американец французского происхождения Ли де Форест, 1906 г.). Данным изобретениям предшествовало открытие в 1875 г. Томасом Эдисоном эффекта «термоионной эмиссии» — почернения внутренней поверхности герметичной стеклянной колбы лампы накаливания в результате, как тогда считали, испускания электрически заряженных частиц-ионов (от греч. «ион» — путешествующий) сильно нагретыми твердыми телами. Факт существования электрона и термоэлектронной эмиссии бесспорным стал лишь в 1911 г.

Диод Флеминга (прибор также носит названия: «лампа с термокатодом», «вакуумный диод», «кенотрон», «термоионная лампа», «вентиль Флеминга») представлял собой герметичный стеклянный баллон с впаянной в него угольной нитью накаливания, окруженной металлическим цилиндром. Цилиндр был назван анодом (от греч. «анодос» — путь вверх), нить накала — катодом (от греч. «катодос» — спуск). В начале XX века полагали, что электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному, подобно тому, как стекает, сверху вниз, вода. Сегодня мы знаем, что, на самом деле, происходит обратное: под действием электромагнитных сил электроны «путешествуют» от отрицательного полюса к положительному.

В триоде Фореста (прибор также носит название «аудион» и «лампа де Фореста») между угольной нитью накала и анодом располагалась проволочная решетка («управляющая сетка»), позволявшая не только детектировать, но и усиливать принятые радиосигналы. Однако, Флеминг и де Форест неправильно понимали принципы работы своих приборов, объясняя их выпрямительные (диод) и усилительные (триод) свойства ионизацией разреженного газа. И даже предупреждали, что из баллона электронной лампы никоим образом нельзя откачивать газ, создавая в ней вакуум.

Де Форест сумел заинтересовать своим изобретением American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T), и в 1913 г. продал ей за 50 тыс. долларов право на использование аудионных усилителей для телефонной связи. Де Форест, помимо прочего, считается отцом-основателем общественного радиовещания. 12 января 1910 г. с помощью дугового передатчика Паульсена, установленного на сцене чикагского Metropolitan House, он провел трансляцию в эфир живого исполнения оперы Пуччини «Тоска». Изобретатель участвовал в нескольких громких судебных процессах по патентным правам, и потратил целое состояние, полученное от своих изобретений, на оплату счетов адвокатов. В 1920 г. он запатентовал оптический способ записи звуковой дорожки на кинопленку, и всю оставшуюся долгую жизнь прожил и проработал в Голливуде.

В 1906 г. немецкий инженер и предприниматель Роберт фон Либен сконструировал триод с управляющей сеткой в виде перфорированного листа алюминия (в патенте изобретателя прибор назывался «катодно-лучевое реле»). Сетка помещалась в центре баллона, деля его на две части: в нижней части — нить накала (катод), в верхней части — анод. В целях увеличения эмиссионных свойств радиолампы фон Либен предложил покрывать нить накала тонким слоем окисла кальция или бария и заполнять баллон парами ртути.

Патенты фон Либена приобрели все ведущие немецкие производители телефонно-телеграфного оборудования: Siemens & Halske, AEG, Telefunken, Felten & Guillaume. В 1913 г. инженер компании Telefunken Александр Мейсснер использовал лампу фон Либена для генерирования радиосигналов, и построил на ее основе первый в мире ламповый радиопередатчик, способный передавать как телефонные, так и телеграфные сигналы. Ламповый генератор Мейсснера содержал ламповый триод и колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора.

Преимуществом ламповых радиостанций и приемников по отношению к другим радиоустройствам являлась более высокая стабильность генерации и приема сигнала. Они были просты в изготовлении и эксплуатации, имели небольшой вес, легко перестраивались с волны на волну и обеспечивали высококачественную передачу речи и музыки, а в дальнейшем изображения. Электронная лампа становится материальной основой или элементной базой первой «электронной революции».

Конструкцию триода в 1915 г. усовершенствовал сотрудник исследовательской лаборатории компании Siemens and Halske Вальтер Шоттки. Он обнаружил зависимость термоэлектронной эмиссии от внешнего электрического поля и предложил для ослабления этого эффекта устанавливать вблизи катода экранную сетку. Запатентованная им в 1915 г. радиолампа была названа «тетродом», по числу электродов («тетра» по-гречески «четыре»). Научные открытия Шоттки в области физики твердого тела и электроники привели к изобретению множества устройств, носящих в настоящее время его имя.

Первые радиолампы имели слабый коэффициент усиления. Радиосигналы в эфире часто перекрывались один другим и мешали друг другу. Необходимы были дополнительные изыскания, чтобы превратить триод в настоящий усилитель. Этим новым устройством стала регенеративная схема (англ. pulse regenerating circuit), запатентованная в 1914-1916 гг. Ли де Форестом и Эдвином Армстронгом (Edwin Armstrong). Принцип изобретения состоял в том, что сигнал, полученный с выхода приемно-усилительной лампы, подавался обратно на вход. Затем в радиоприемниках появились усилители высокой и низкой частоты.

В 1915 г. ученый и инженер Ирвинг Ленгмюр (Irving Langmuir) из исследовательской лаборатории General Electric Company (GE) изобрел парортутный вакуумный насос, в 100 раз более мощный, чем любой, ранее существовавший. Это дало ему возможность сконструировать первый полноценный вакуумный триод (в патенте изобретателя прибор назывался «плиотрон») и, таким образом, положить начало развитию вакуумной электроники. Электрические токи в вакууме нашли широчайшую область применения. Это — все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры и СВЧ-генераторы. И везде, где производятся электровакуумные приборы, применяются насосы ленгмюровского типа.

В 1932 г. Ленгмюр удостоился Нобелевской премии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений», одним из которых являлось описание им в 1916 г. термоэлектронной эмиссии вольфрамовой нити накала, покрытой слоем оксида тория. В последующие годы вакуумные радиолампы с вольфрамовым торированным катодом и цепями накала, питающимися переменным током, во всем мире были признаны наилучшими по своей надежности и экономичности.

Большинство приемно-усилительных радиоламп, применявшихся в массовых радиоустройствах (радиоприемники и телевизоры) в 1930-1950-е годы, представляли собой полые стеклянные баллоны диаметром 2-3 см и длиной около 6 см и имели стандартный электрический разъём — октальный цоколь. Их изготовление осуществлялось по так называемой «гребешковой технологии». Собранная арматура лампы (гибкие выводы и несущие траверсы) заваривалась в специальную стеклянную ножку. Ножка вваривалась в стеклянный баллон, а из «юбки» баллона формовался плоский «гребешок», в который вторично заваривались длинные гибкие выводы от электродов. Затем эти выводы приваривались к штырькам разъёма.

Предназначение радиолампы — создание потока электронов, перемещающихся от разогретого катода к аноду, и управление этим потоком. Чтобы на своем пути электроны не сталкивались с молекулами воздуха, в баллоне лампы создавали высокий вакуум. Воздух из лампы откачивали насосом, и давление понижалось до одной тысячной миллиметра ртутного столба. Часть молекул воздуха оставалась и, чтобы их удалить, перед созданием вакуума в баллоне лампы на никелевой пластине помещали вещество, активно поглощающее газы. Понизив давление внутри лампы, её запаивали и размещали возле высокочастотной катушки. От этого в веществе, поглощающем газы, наводились токи, которые раскаляли его, и оно испарялось. Вот эти-то пары, поглотив газы, оседали на внутренних стенках баллона лампы, отчего часть стекла становилась непрозрачна.

После окончания I мировой войны радиотехника выделяется в самостоятельную инженерно-техническую дисциплину, предмет исследования которой — колебательные и связанные контуры, фильтрующие цепи, усилители низкой, промежуточной и высокой частоты, модуляторы, детекторы, мультивибраторы, генераторы, ограничители, линии задержки и т. д. Небольшие заводские лаборатории GE, AT&T и других ведущих американских электротехнических компаний превращаются в крупные научно-исследовательские центры с многотысячными коллективами ученых, инженеров, техников и вспомогательного персонала. В 1907 г., когда де Форест обратился за патентом на триод, персонал лаборатории GE в Скенектеди (штат Нью-Йорк) насчитывал 40 ученых и инженеров и 55 технических работников. В 1918 г. персонал лаборатории GE состоял из 3 тыс. человек.

Прогресс в использовании радиоприемных устройств дал возможность в 1920 г. открыть первую радиовещательную станцию в США (г. Питсбург). В 1921 г. заработала первая радиовещательная станция во Франции. С помощью передатчика мощностью 5 кВт, установленного на Эйфелевой башне, на волне 2600 м передавались новости, сообщения о погоде и сигналы точного времени. В 1922 г. была создана Британская Вещательная Компания (British Broadcasting Company — BBC). В 1923 г. вступила в эксплуатацию московская радиостанция имени Коминтерна с передатчиком мощностью 12 кВт. Станция работала на волне 3000 м., и была рассчитана на прием ее вещания «революционным пролетариатом европейских стран». В Японии регулярное радиовещание и производство бытовых детекторных радиоприемников (самая популярная модель — “Sharp Dyne”) начинается в 1925 г.

С изобретением усилителя промежуточной частоты на 465 кГц, классическим типом радиоприемного устройства становится супергетеродин, чувствительный ко всему диапазону радиоволн, включая короткие. Благодаря аудиоусилителям удалось подключить к радиоприемнику громкоговоритель и прослушивать передачи целой аудиторией. В США первые супергетеродины (на шести лампах) поступили в продажу в марте 1924 г.

Первые промышленные образцы электронных ламп в России в 1914 г. разработал инженер Русского общества беспроволочных телеграфов и телефонов (РОБТиТ) Н. Д. Папалекси. «Пустотелые реле Папалекси» предназначались для усилителей звуковой частоты в армейском радиотелеграфе. Откачка собранных ламп производилась с помощью парортутного насоса конструкции С. А. Боровика на заводе пустотных аппаратов Н. А. Федорицкого (Набережная реки Фонтанка, 165).

В 1915 г. под руководством поручика М. А. Бонч-Бруевича началось производство электронных ламп в мастерских Тверской приемной радиостанции международных сношений. Аноды этих ламп изготавливались из железной сетки в целях лучшей теплоотдачи, а для удлинения срока службы в них были вставлены два катода на цоколях, расположенных друг против друга. Когда сгорал один катод, лампу переворачивали и включали другой.

Местом рождения отечественной радиопромышленности считается Кронштадтская мастерская «для производства и ремонта аппаратов телеграфирования без проводов». Она была организована по заданию Морского технического комитета А. С. Поповым 2(14) сентября 1900 г. В 1910 г. мастерская была переведена в Петербург и в 1915 г. стала именоваться Радиотелеграфным заводом морского ведомства (с 1922 г. «Радиотелеграфный завод имени Коминтерна»).

После Октябрьской революции 1917 г. все радиотелеграфные заводы страны были национализированы. 2 декабря 1918 г. В. И. Ленин подписал «Положение о радиолаборатории с мастерской Народного Комиссариата почт и телеграфов». Нижегородская радиолаборатория — первый советский научно-исследовательский центр в области радиотехники и электроники, где в 1918-1923 гг. были разработаны первые в Европе образцы генераторных электронных ламп с водяным охлаждением.

28 июля 1924 г. советское правительство приняло постановление «О частных приемных радиостанциях», закрепившее за гражданами страны право владения собственными радиоприемниками. В 1924 г. Трест заводов слабого тока приступил к серийному производству детекторных приемников «П-2» и «ЛДВ» («Любительский Детекторный Вещательный»). В 1925 г. поступил в продажу ламповый радиоприемник «Радиолина № 2». Он изготавливался по французской лицензии, но с использованием усовершенствованных радиоламп Р-5 и «Микро» производства ленинградского Электровакуумного завода. В 1925 г. в СССР насчитывалось около 20 тыс. радиоприемных устройств, из которых только 5 % являлись ламповыми.

Первым отечественным серийным супергетеродином был приемник танковой радиостанции 71-ТК разработки 1932 г. Первый бытовой супергетеродин «СВД» был запущен в серийное производство в 1936 г.

Радиоламповое производство в Европе и в США создавалось на базе существующих предприятий по изготовлению осветительных ламп накаливания. Этому способствовала родственность многих производственных операций и технологических процессов. Классическим примером удачного совмещения нескольких видов производства электровакуумных приборов: ламп накаливания, рентгеновских трубок и радиоламп, — являются «Электроламповые заводы Филипса». В 1923 г. эта голландская фирма выпустила первую серийную радиолампу Miniwatt, выгодно отличавшуюся эксплуатационной надежностью и значительно меньшим энергопотреблением. К 1933 г. «Электроламповые заводы Филипса» произвели 100 млн. радиоламп различных конструкций.

Кроме радиотехники электронные лампы нашли применение для выполнения таких ответственных операций, как управление амплитудой и длительностью выходного тока. Их использовали вместо электромагнитных контактов и реле в управлении электродвигателями, электропечами и станками. Во многих странах мира стали широко применяться низкочастотные направленные радиомаяки для навигации полётов самолётов в ночное время.

В конце 1920-х годов одновременно в Европе и Америке были разработаны комбинированные многоэлектродные радиолампы с экранными сетками: пентоды, гептоды и октоды, что позволило сократить количество радиоламп на одно устройство в среднем до 1-3-х шт., уменьшить вес и габариты профессиональных и бытовых радиоприемников. Радиотехника и электроника перешли к освоению и использованию диапазона ультракоротких волн — метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых. Пик инноваций в электровакуумной технике пришёлся на 1934 год — в этом году производители выпустили максимальное количество новых разработок, в том числе первые радиочастотные пентоды-жёлуди. Наметился переход стационарной аппаратуры с напряжений накала 2.5 В и 4 В на напряжение 6.3 В.

В 1930-е годы, наперекор «великой депрессии», начинается «золотая эра» ламповой электроники. Этот период также называют «золотым веком радиовещания». В США объем продаж ламповых радиоприемников с нескольких тысяч дорогостоящих «радио-музыкальных ящиков» (англ. Radio Music Boxes) вырос в 1929 г. до 4,2 млн. шт. (из них четверть — автомобильные) при средней цене $110 (средний заработок рабочего промышленности в то время составлял $30 в неделю).^[3] Спрос настолько опережал предложение, что изготовление простейших радиоустройств с намоткой катушек на коробках из-под завтрака и конденсаторов из упаковочной фольги цветочных магазинов стало национальным увлечением американской молодежи. В 1930 г. более 6 тыс. радиостанций вели передачи, прием которых осуществлялся 12 миллионами радиоприемных устройств.

В декабре 1933 г. Эдвин Армстронг запатентовал FM-радио, в котором, в отличие от AM-радио, используется не амплитудная, а частотная модуляция радиоволн. FM-радио позволяло уменьшить влияние помех в радиоэфире от атмосферного электричества и действующего электрооборудования. После вступления США во II мировую войну Армстронг бесплатно передал свои патенты на частотную модуляцию военному министерству. Важный подарок американским вооруженным силам, особенно после того как командование поняло, что переговоры германской армии, работающей на АМ, они могли легко глушить, а ЧМ в то время была неподавляема.

Армстронг доказал, что радиоволны, модулированные частотно, в отличие от радиоволн, модулированных амплитудно, могут проникать через ионосферу. Это проложило путь к радиосвязи в космосе и дало астрономам новый измерительный инструмент.

Все изобретения Армстронга быстро принимались промышленностью, но, зачастую, с нарушением его патентных прав. Известно, что после многолетних судебных тяжб с «Radio Corporation of America» он трагически покончил жизнь самоубийством.

В Европе всех перещеголяли немцы, первыми на практике реализовавшими лозунг: «Радио в каждый дом!» Общее количество радиоприемников, выпускавшихся с 1933 г. по программе Gemeinschaftserzeugnis, составляло не менее 2 млн. шт. в год. Курировал программу лично рейхсминистр пропаганды Йозеф-Пауль Геббельс.

Во всем мире радио было признано новой массовой культурой и активно развивающейся индустрией.

После того как телефон и радиоприемник стали привычными и совершенно необходимыми бытовыми приборами, была решена техническая задача создания радиоаппаратуры для связи с транспортными средствами. Первый радиотелефон с двусторонней связью AT&T запатентовала в 1925 г. С 1934 г. в США начинается развитие подвижной радиотелефонной связи (для нее было выделено 4 канала в диапазоне 30–40 МГц), которой имели право пользоваться спасательные службы, государственные учреждения, полиция и диспетчерские службы такси.

Авторы американской многотомной истории мобильных телефонов из Stanford Research Institute утверждают, что самое раннее описание концепции сотовой радиосвязи, которой сейчас во всем мире пользуются миллиарды людей, появилось в 1947 г. в «Техническом меморандуме» Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) — научного подразделения AT&T.

В этом документе был подробно описан критический и уникальный элемент сотовой связи — многократное использование радиочастоты в небольших ячейках. Это — один из ключевых элементов технологии сотовой связи, отличающий ее от других видов подвижной (мобильной) радиосвязи: спутниковой и радиально-зоновой.

Техническая суть проблемы такова. Допустим, что территорию, например, штата Калифорния, необходимо полностью обеспечить устойчивой подвижной телефонной радиосвязью, которой могли бы воспользоваться многочисленные владельцы авто первой в мире автомобильной державы. Для этого, в первую очередь, следовало установить по всей территории штата базовые приёмопередающие станции. Каждая базовая станция имеет высокую мачту-антенну для передачи (приема) радиосигнала на максимально возможное расстояние. Зона покрытия станции на ровной поверхности — круг. Чем больше площадь круга (зоны покрытия), тем меньше требуется базовых станций. Каждый работающий мобильный радиотелефон принимает и передает базовой станции собственный уникальный идентификационный код, по которому она его опознает в качестве абонента, находящегося в зоне действия сети.

В мобильной радиосвязи канал — пара частот. Одна частота, чтобы передать и одна, чтобы получить. Это создает цепь или полный маршрут связи. При совершении звонка от одного абонента (владельца мобильного телефона) к другому выделяется определённый диапазон частот. Если в штате Калифорния десять тысяч человек будут звонить одновременно, то потребуется пять тысяч отдельных радиодиапазонов, что практически невозможно реализовать. Однако можно использовать отдельные диапазоны повторно. Главное, чтобы они не повторялись в зоне покрытия одной станции. Таким образом, если сеть имеет в своём распоряжении 100 диапазонов радиочастот и располагает 100 базовыми станциями, то потенциально она может обеспечить 100 × 100 = 10 000 одновременных разговоров.

Систему радиосвязи, изложенную в докладе Bell Labs, впоследствии стали называть «cellular» («ячеистой» или «клеточной»). В русском варианте она называется сотовой, наверное, из-за того, что форма зоны покрытия базовой станции, составленная из перекрывающихся границ между другими зонами соседних базовых станций (их шесть), напоминает пчелиные соты.

В различных стандартах сотовой связи, естественно, имеются свои особенности. Но алгоритмы их работы в основе своей очень похожи. Если абоненту сети сотовой связи нужно позвонить, он нажимает соответствующую клавишу на своем телефоне, что аналогично снятию трубки. Во время набора номера радиотелефон занимает тот свободный канал, уровень сигнала в котором особенно велик. По мере удаления абонента от данной базовой станции и перемещения его в зону действия другой базовой станции, уровень сигнала падает, и качество разговора ухудшается.

Суровые математические расчеты сообщают о том, что максимально возможное расстояние между сотовым телефоном и базовой станцией может составлять 35 км. Это связано с работой технологии TDMA — каждой базовой станции выделяется тайм-слот в 0,577 миллисекунд (точнее говоря, работает отношение 15/26), за это время станция должна успеть ответить соте. Скорость распространения радиоволн конечна и хорошо известна — 300 тыс. км/с, максимальное расстояние вычисляется как простое перемножение времени на скорость. Вот так и получаются эти самые 35 км.

В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т. е. от рельефа местности обслуживаемой территории, плотности застройки и других факторов. Кроме того, в пределах зоны уверенного приема часто имеют место области, в которых прием сигнала невозможен (теневые зоны). Соответственно положение базовой станции лишь приблизительно совпадает с центром ячейки, который сложно определить однозначно.

Одним из самых ранних примеров использования сотовой радиосвязи считается система MTS, разработанная AT&T, и впервые испытанная 17 июня 1946 г. в Сент-Луисе (штат Миссури). В том же году компания запустила «службу хай-вэй», которая обслуживала автолюбителей, курсирующих между Нью-Йорком и Бостоном. Сервис выглядел довольно примитивно: абоненту присваивался один специальный канал, и вызовы совершались через телефониста-оператора, которому сообщался номер вызываемого абонента. Во время телефонного разговора приходилось нажимать кнопку, чтобы говорить, и отпускать ее, чтобы слушать. Базовые станции работали в диапазоне от 35 до 44 МГц, который оказался несовместимым с некоторыми радиоэлектронными устройствами военного и гражданского назначения, и вскоре проект был закрыт. Сотовая связь возродится 40 лет спустя, но уже на основе принципиально иной электроники — с использованием компьютеров, специального программного обеспечения и цифровых телекоммуникационных технологий.

Выдающуюся роль в развитии мобильной радиосвязи сыграл американский инженер и изобретатель Ал Гросс (1918–2000), который с детства был энтузиастом-радиолюбителем. В 1938 г. он изобрел и запатентовал портативное радиоприемное устройство, которое назвал хорошо известным теперь именем walkie-talkie, то есть что-то вроде «иду-говорю». Очень скоро walkie-talkie попал в поле зрения американской разведывательной конторы, предшественника нынешнего ЦРУ, — US Of ce of Strategic Services. Эта военизированная организация мобилизовала Гросса на службу, и вскоре аналоги walkie-talkie («Joan» и «Eleanor») успешно использовались разведчиками, работавшими во время II Мировой войны за линией фронта.

В 1949 г. Ал Гросс изобрел и запатентовал пейджер (от англ. page — «мальчик-слуга»), предназначив этот приборчик для срочного вызова больничных врачей к пациентам. Но оказалось, что медикам совсем не хочется, чтобы их в любой момент могли вызвать в реанимацию. Один врач так прямо и сказал изобретателю: «Тут рядом с больницей, где я работаю, есть поле для гольфа. Неужели Вы думаете, что я…» Тогда Гросс вынужден был трансформировать пейджер в устройство для электронного замка, которым запираются и открываются двери гаража (англ. garage door opener). В одном из последних интервью, опубликованном в газете Arizona Republic Newspaper, он сказал, что родился слишком рано, когда из изобретений и патентов невозможно было извлечь сколь-нибудь существенную выгоду. «Если бы я родился на 35 лет позже, Билл Гейтс стоял бы далеко позади меня».

Ключевой момент становления современной электроники и электронной промышленности — создание радиолокации, которую не без основания считают «одним из чудес XX века».

Радиолокационные станции (РЛС), обладая беспредельной дальностью действия, не зависящей от времени суток и погодных условий, помогают решать самые разнообразные и сложнейшие военные и народнохозяйственные задачи. Как пишет М. М. Лобанов, «по тонкости и остроумию применяемых приемов радиолокация превосходит все, что радиотехника дала в последующем радиосвязи, радионавигации, телевидению, кибернетике и т. п.»^[4]

Пионером практической радиолокации в Германии стал ученый-физик Рудольф Кюхнольд (1933 г.), в США — инженер Лоуренс Хайленд (1930 г.), в Англии — профессор Роберт Уотсон-Уатт (1935 г.), в СССР — военный инженер Павел Ощепков (1934 г.).

Слово «радар» вошло в научно-техническую литературу и речевой обиход, благодаря не вполне корректному техническому отчету американского морского ведомства (The United States Navy). В 1936 г. в США была разработана первая радиолокационная станция для обнаружения надводных кораблей, работавшая на частоте 200 МГц. В апреле 1937 г. ее протестировали на борту четырехтрубного эсминца «Лири» водоизмещением 1090 тонн. В официальном техническом отчете эта РЛС получили название RADAR — сокращенное обозначение от «Radio Detection And Ranging» (в переводе на русский, «прибор для радиопеленгации и дальнометрия»). В 1942 г. в погоне за немецкой субмариной U-275 «Лири» не устоял перед атакой акустической торпеды, и стал третьим американским эсминцем, потопленным в ходе Битвы за Атлантику.

Самое раннее упоминание об использовании волн Герца (так когда-то называли радиоволны) для отслеживания движущихся объектов относится к 1904 г., когда служащий компании Siemens Христиан Хюльсмейер (Christian Hlsmeyer) из Дюссельдорфа изобрел, собрал, испытал и даже запатентовал устройство, которое назвал «телемобилоскоп» (германский патент № 165546). Согласно патентной заявке, это был «аппарат, излучающий и принимающий волны Герца и предназначенный для обнаружения находящегося на их пути металлического тела, например поезда или корабля, и предупреждения о его появлении». Понадобилось тридцать лет, прежде чем идея применения радиоволн для обнаружения самолетов и кораблей смогла быть претворена в реальную электронную аппаратуру.

Для производства РЛС потребовались электровакуумные приборы, параметры которых (механические, электрические, радиотехнические) предъявляют очень высокие требования к точности, чистоте поверхности, прочности и герметичности соединений. Например, технологический цикл изготовления магнетрона (генератора радиоволн) состоит из 450-ти технологических операций («шагов»), и почти все они необратимы, то есть в случае даже незначительного отклонения от технического задания при исполнении одной-единственной операции бракованным становится все изделие.

Радиолокация продвинула в жизнь целое направление прикладной науки и производства — импульсную СВЧ-технику, которая является критической базовой технологией и показателем принадлежности страны к высокому уровню технического развития. Она же послужила стимулом для быстрого развития электроники мощных источников высокочастотной энергии.

В 1940 г. британские физики Джон Рэндалл (John Randall) и Гарри Бут (Harry Boot) изобрели для целей радиолокации резонансный магнетрон, работавший на частоте 3000 МГц. Позднее с участием специалистов Радиационной лаборатории Массачусетского технологического университета и других американских исследовательских центров удалось сконструировать магнетроны, работающие на всех частотах до 30 000 МГц. Лидерство союзников по антигитлеровской коалиции в области магнетронов и создания радиолокаторов сантиметрового диапазона было весьма примечательным. Немцы так никогда и не смогли приблизиться к ним; их радары были ограничены частотами в несколько сотен герц. Японский военно-морской флот обзавелся радиолокационными станциями (в метровом диапазоне) только в конце войны, впервые применив их в октябре 1944 г. в сражении у острова Лейте (центральная часть Филиппинского архипелага).

Создание радиовзрывателей для зенитных снарядов и первых зенитных ракет положило начало микроминиатюризации радиоустройств. По сути радиовзрыватель, это — миниатюрный радиолокатор, работающий в метровом диапазоне волн, совмещающий в себе функции передатчика, приемника и усилителя допплеровских частот. Все это дополнялось устройством взведения, предохранения и источником электропитания.

Радиовзрыватели (впервые применены в 1943 году в английской системе ПВО) содержали миниатюрный приемопередатчик, который излучал направленный пучок высокочастотного излучения на цель и детонировал при получении отражения от цели. Главная техническая проблема заключалась в создании приемопередатчика, способного выдерживать ударные нагрузки при выстреле из зенитного орудия. Американские разработчики имели возможность обратиться к опыту создания слуховых аппаратов, которые уже выпускались промышленностью с использованием субминиатюрных радиоламп, усовершенствовать его, и, в конце концов, такая радиолампа с номинальной ударопрочностью 20000 g стала основной частью прибора. Применение таких радиовзрывателей, в частности, помогло отразить нападение японских камикадзе на американский флот близ Окинавы в 1945 г.

В США разработка и промышленное внедрение СВЧ-технологий в основном завершается к 1945 г., причем, совокупные финансовые затраты на создание национальной радиолокационной системы береговой и противовоздушной обороны оцениваются в сумму $2,5 млрд. — на $500 млн. больше официальной стоимости Уранового («Манхэттенского») проекта. За годы II мировой войны чистая ежемесячная стоимость выполненных заказов на аппаратуру военной радиосвязи и радиолокации увеличилась в 12 раз и составила к 1945 г. $4,5 млрд. Число занятых в электронной промышленности США увеличилось со 110 тыс. чел. до 500 тыс. чел.

После окончания II мировой войны американская электронная промышленность занялась всеобщей телефикацией страны. Если в 1947 г. в США было около 180 тыс. телевизоров, то к 1953-му их число возросло до 28 млн. В 1953 г. в США началось регулярное цветное телевещание по системе NTSC. Львиную долю кинескопов для цветного телевидения производила корпорация RCA. Секрет фирменного кинескопа — трехлучевая вакуумная трубка с теневой маской (англ. shadow mask), из сплава железа и никеля с 370 000 микроскопических отверстий.

В СССР создание научной, опытно-конструкторской и производственной базы для радиолокационного вооружения начинается в довоенный период и завершается в середине 1950-х годов. Количество произведенных черно-белых телевизоров превысило в СССР один миллион только в 1957 г., а регулярное цветное телевещание началось 1 октября 1967 г.

Важными событиями 1946-1947 гг. было изобретение операционного усилителя постоянного тока на вакуумной лампе (Джордж Филбрик) и электронно-лучевой трубки для хранения данных (Фредерик Уильямс). По мнению специалистов, данные устройства проложили путь в эру электронно-вычислительной техники.

Первый полнофункциональный цифровой компьютер заработал весной 1945 г. в Школе электрической техники Moore (при университете в Пенсильвании). Это — знаменитый ENIAC, разработанный Джоном Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспером Эккертом (J. Presper Eckert) по заказу атомной лаборатории в Лос-Аламосе. В качестве запоминающего устройства в нем применялись ультразвуковые ртутные линии задержки, заимствованные у разработчиков радиолокационной аппаратуры.

В 1951 г. профессор Массачусетского технологического института Джей Форрестер (Jay Forrester) разработал и запатентовал RAM-память на магнитных сердечниках (англ. ferrite memory) — маленьких (около 1 мм в диаметре) магнитных колец, которые поляризовались в двух направлениях, представляя, таким образом, бит данных.

В первых компьютерах использовались тысячи электровакуумных приборов, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Чтобы подвести фидеры и кабели ко всем элементам аппаратуры, приходилось делать сложную электрическую разводку. Мощные вентиляторы предохраняли аппаратуру от перегрева. Весили первые ЭВМ соответственно — тонны, и стоили немалых средств, порядка $1 млн. Приняв средний срок службы радиолампы-триода за 500 часов, при количестве ламп в одном устройстве 5000 шт., в среднем каждые 10 минут следовало ожидать отказ, по крайней мере, одной радиолампы.

* * *

Вакуумной радиолампе требовалась более компактная, экономичная и надежная замена. И она 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.

Транзистор — материальная основа и элементная база второй «электронной революции».

В конструкции радиоприемника транзистор способен выполнять ту же функцию, что и радиолампа-триод (или пентод). В других электронных устройствах, например ЭВМ, несколько транзисторов, соединенных по определенной схеме, выполняют функцию переключательных (логические вентили) и запоминающих (триггеры) устройств.

Транзисторы, изготовленные из прозрачного полупроводникового материала, это — светодиоды, способные заменить лампы накаливания. Светодиоды механически прочны и исключительно надежны, срок их службы может достигать 100 тыс. часов, что почти в 100 раз больше, чем у обычной электрической лампочки.

Транзистор, имеющий два устойчивых состояния: низкой проводимости и высокой проводимости, — это — тиристор — преобразователь переменного тока, способный заменить ртутные выпрямители (игнитроны).

Экспериментально во всех полупроводниках (и интерметаллических соединениях), при условии внедрения в них некоторых примесей, например, мышьяка или сурьмы, обнаруживается присутствие двух электрических токов. Первый обусловлен вытолкнутыми из атомов 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.

Соединение разнородных по химическому составу или фазовому состоянию транзисторов позволяет создавать сложные гетероструктурные p-n переходы, посредством которых, например, функционируют полупроводниковые лазеры в современных проигрывателях компакт-дисков.

Изобретателями транзистора считаются сотрудники Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн, в 1956 г. удостоенные Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Дата рождения транзистора 16 декабря 1947 г. В этот день в одной из лабораторий Bell Labs заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире точечно-контактным 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.

Согласно легенде, открытию помог его величество случай: 16 января 1947 г. У. Браттейн, нечаянно, почти вплотную сблизил два игольчатых электрода на поверхности кристалла германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил на экране осциллографа влияние тока одного электрода на ток другого. На самом деле, еще в 1936 г. руководство AT&T поставило перед своим исследовательским центром Bell Labs конкретную задачу — заменить механические переключающие устройства автоматических телефонных станций (АТС) электронными ключами, не являющимися радиолампами, и выделило для исследования электрофизических свойств германия и кремния необходимые средства. После окончания II мировой войны AT&T возобновила проект, с учетом потребностей радиолокации в замене ненадежных электровакуумных триодов более долговечными и стабильными устройствами для выпрямления тока.

Понимая важность открытия Бреттейна, руководство Bell Labs, усилило отдел Шокли специалистами, и на некоторое время засекретило проект. В июне 1948 г., разобравшись в пока еще смутной теории p-n переходов, и, проведя серию экспериментов, компания продемонстрировала публике первый в мире «безламповый» радиоприемник, объяснив, на каких принципах работают его приемно-усилительные элементы. Незадолго до этого события в Совете директоров Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору имени нового электронного прибора. Отбросив слишком длинное «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), и непонятное «йотатрон» (iotatron), утвердили «транзистор».

По запоздалым воспоминаниям, «поведение точечного контакта» на поверхности кристаллов германия наблюдали первые разработчики СВЧ-детекторов — приборов для выпрямления тока в аппаратуре радаров. У советских же специалистов, как вспоминают ветераны советского электропрома, до середины 1948 г. для изучения транзисторного эффекта вообще не было ни грамма германия (элемент этот достаточно редкий, дорогой, предметов ширпотреба из него не делают).^[5]

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]

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]

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]

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]

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).

Появление планарной технологии вызвало качественный сдвиг в полупроводниковой электронике. Возможность точного проектирования геометрических конфигураций p — n-переходов, их взаимного расположения, а также защита мест выхода p — n-переходов на поверхность от внешних влияний — вот, те основные черты, которые обеспечили планарной технологии блестящее будущее.

Уникальные свойства кремния для литографии и выращивания изоляционных слоев предопределили судьбу германия, который постепенно вышел из состава сырьевой базы промышленной электроники.

Технологическая цепочка по производству полупроводникового кремния состоит из следующих звеньев: 1) добыча кварцевого песка; 2) получение поликристаллического (металлургического) кремния; 3) выращивание монокристаллов; 4) получение пластин необходимого диаметра и физических свойств, — и требует сложного и дорогостоящего оборудования.

Более 80 % кристаллов кремния получают методом Чохральского, названным в честь польского химика начала XX века. Однажды он нечаянно уронил в тигель с расплавленным оловом металлическое перышко. Медленно вытаскивая его, чтобы не обжечься, ученый заметил, что перо тянет за собой нитку застывающего олова. Оказалось, что она представляет собой монокристалл. Почти полвека никто не вспоминал о Яне Чохральском (1885 — 1953). Наконец в 1950 г. в США его методом, впервые, были успешно выращены монокристаллы германия, а затем кремния.

Если донорские и акцепторные примеси, введенные в расплав кремния, таковы, что одни из них больше «предпочитают» твердую фазу, чем другие, то при вытягивании кристалла с чередованием ускорения и замедления можно создавать чередующиеся слои n — и p-типа, и в одном слитке получать множество транзисторных слоев с заданной топологией.

Транзисторы постепенно обосновывались в радиоприемниках и телевизорах, в приборах промышленной автоматики и вычислительной техники. Однако производители вакуумной электроники сдаваться без боя не собирались. В 1959 г. RCA выпустила первую серию нувисторов — сверхминиатюрных и надежных металлокерамических приемно-усилительных радиоламп. «Великий перелом» наступил в 1961 г., когда объём производства полупроводниковых приборов в США превысил объём производства радиоламп: было изготовлено 190 млн. шт. транзисторов и 260 млн. шт. точечных диодов, по сравнению с 360 млн. шт. радиоламп.

Благодаря транзисторам удалось увеличить плотность расположения компонентов радиоэлектронной аппаратуры, сделать ее более компактной и менее энергозатратной, ускорить и усовершенствовать процессы ее сборки. В производстве радиоэлектронной аппаратуры стали широко применяться многослойные печатные платы (англ. printing plate), в которых все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с поверхности фольгированного диэлектрика. Основные элементы печатной платы — основание (подложка) и проводники. Данные элементы необходимы и достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной платой. Круг второстепенных элементов несколько шире: контактные площадки, переходные металлизируемые и монтажные отверстия, ламели для контактирования с разъемами, участки для осуществления теплоотвода и т. д.

В СССР разработка технологии печатных плат началось в первой половине 1950-х. Этим занимался горьковский Центральный научно-исследовательский институт технологии и организации производства (ЦНИИТОП). Первые образцы радиоэлектронной аппаратуры с применением печатных плат были изготовлены в 1953-1954 гг. на Воронежском радиозаводе (радиоприемник «Дорожный») и на Кунцевском электромеханическом заводе (телевизор «Старт»). Процесс изготовления первых отечественных печатных плат весьма оригинален. Основанием плат служили пластины, прессованные из карболита. Прессование производилось таким образом, что в пластинах образовывались канавки, после металлизации которых они служили проводниками.

Внедрение технологии печатных плат позволило повысить надежность контактных соединений между радиодеталями.

Естественным развитием технологии печатных плат стало изобретение интегральной микросхемы (англ. integrated circuit), все компоненты которой (транзисторы, конденсаторы и проводники) собираются в виде единого блока. Первым эту техническую идею в 1954 г. выдвинул англичанин Джефф Даммер (Geoff Dummer), но практически в 1958-1959 гг. реализовали Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semicondactor. Независимо друг от друга они пришли к выводу о том, что «объемное сопротивление самого полупроводника и емкость p-n-перехода внутри него можно скомбинировать с транзисторами и создать завершенную схему из одного и того же материала» (из Нобелевской лекции Джека Килби 8 декабря 2000 г.).

Первая интегральная схема (ИС) Джека Килби под названием Type 502, собранная на пластине кристалла германия площадью 11×1,5 мм, представляла собою триггер — простейший цифровой автомат, выполняющий логическую функцию ИЛИ — НЕ либо И — НЕ. Этот класс электронных устройств (изобретены в 1918 г. английскими физиками В. Эклси и Ф. Джорданом) используется для формирования импульсов, в генераторах единичных сигналов, для построения делителей частоты, счетчиков и сумматоров. Триггеры является принципиально важным элементом любого компьютера.

В марте 1960 г. Джек Килби впервые продемонстрировал инновацию на выставке американского Института радиоинженеров. Специалисты встретили solid circuit («цельную схему») довольно прохладно. Сразу же обратили внимание на конструктивный недостаток: все соединения ИС выполнены золотыми проволочками, что с точки зрения надежности не давало ей никаких преимуществ, по сравнению с печатными платами.

Этот недостаток смог исправить Роберт Нойс. Он разработал схему триггера на пластине кристалла кремния и соединил ее компоненты токоведущими дорожками из алюминия. Дорожки наносились на поверхность пластины вакуумным напылением, по шаблону (маске), через оставленные отверстия, и отлично, без всякой сварки, «прилипали» к контактам.

Первая в мире промышленная партия кремниевых ИС под названием «Micrologic» с 20 элементами на кристалле была изготовлена компанией Fairchild Semicondactor в 1960 г. по заказу Пентагона и использовалась в системе наведения («вычислителе») ракет класса «Минитмен». Помимо основной функции расчета уравнений наведения «вычислитель» выполнял ряд дополнительных функций, связанных со сборкой ракеты, ее хранением в шахте и при подготовке к запуску.

В СССР первый опытный образец ИС, напоминающий «цельную схему» Джека Килби, в 1959 г. изготовила группа разработчиков КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (РЗПП): Карнов, Осокин и Пахомов. В 1962-63 гг. РЗПП по заказу ВМФ выпустил несколько тысяч монолитных схем-триггеров под индексом «Р12-2». Они предназначались для использования в аппаратуре корабельных АТС. Конструктивно «Р12-2» были выполнены в виде «таблетки» из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм. В ней размещался кристалл германия (с двумя транзисторами и двумя резисторами) и заливался полимерным компаундом, из которого выходили короткие внешние концы выводов из золотой проволоки диаметром 50 мкм, приваренные к кристаллу. Масса «Р12-2» не превышала 25 мг.^[10]

Интегральные схемы значительно сократили габариты электронных изделий и устранили необходимость сварки контактов радиодеталей паяльными жалами — филигранной и трудоемкой операции, выполняя которую даже самые опытные сборщики и наладчики допускали в среднем по 10 ошибок на 1000 спаек.

Превращение Японии в мировой центр высоких технологий во многом стало возможно, благодаря использованию дешевого труда стрессоустойчивых, опрятных, дисциплинированных и добросовестных сельских девушек. Переехав в города, они заняли рабочие места в цехах и лабораториях, и своими длинными и гибкими пальчиками обеспечили ставшее легендарным качество японской электронной аппаратуры. В конце 1960-х гг. этот опыт решили внедрить в СССР, в частности, на Западной Украине, располагавшей избыточным сельским населением. Деревенских девушек везли в города и ставили к конвейеру. Увы, японский опыт не сработал: даже на заводах, выпускавших электронику для военных целей, брак иногда доходил до 100 %. Когда стали выяснять причины, по которым наши «заводские девчата» оказались настолько менее эффективными, чем японские, обнаружилось одно недоучтенное поначалу обстоятельство. Хотя японок действительно везли в города из сел, происхождение у них было отнюдь не крестьянское — они росли в семьях потомственных ремесленников, то есть там, где на протяжении многих столетий оттачивались навыки кропотливого труда и работы с весьма деликатными инструментами. Отсюда и гибкие пальцы, и усидчивость, и дисциплина, и готовность к самопожертвованию.^[11]

Вначале ИС использовались в электронных калькуляторах, затем их стали встраивать в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Интегральные схемы — элементная база третьего поколения ЭВМ, повысившая их быстродействие и объем оперативной памяти. Потребности гражданской и военной промышленности год от года росли, и в результате в 1969 г. в США было произведено 350 млн. ИС, то есть за 7 лет их производство выросло в 700 раз!

Еще никогда в истории ни одна отрасль промышленности не росла столь стремительными темпами, причем, не в ущерб стоимости и качеству продукции. Уменьшение топологических размеров элементов микросхем приводит к удельному уменьшению цены одного транзистора в разы. За счет увеличения количества транзисторов в одной микросхеме, соответственно, увеличивается количество функций, которые она может выполнять, и уменьшается удельная цена каждой отдельной функции. Один из основателей Intel Гордон Мур как-то остроумно заметил, что «если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня Ролс Ройс мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и дешевле было бы его выбросить, чем заплатить за парковку».

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

1

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ. — М.: Прогресс, 1992.

2

Очерк развития радиотелеграфных сообщений в России и за границей. — СПб., 1913. С. 32.

3

Электроника: прошлое, настоящее, будущее/Пер. с английского под ред. В. И. Сифова.-М.:Мир, 1980. С. 20.

4

Лобанов М. М. Из прошлого радиолокации. — М.: Советское радио, 1975. С. 5.

5

Николай Алексеевич Пеннин/К истории ФИАН. Серия «Портреты». Выпуск 4. М.: Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, 2007. С. 9.

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.

7

The Improbable Years// Electronics, 1968, 19 February.

8

Щука А.А… Вехи развития отечественной интегральной электроники// ИИЕТ РАН. Годичная научная конференция 2004 г. М.: Диполь-Т, 2004. С. 676.

9

Королев Ю. Н. Тиристоры. — М.: Знание, 1968.

10

Малашевич Б. Первые отечественные интегральные схемы. 50-летию официальной даты посвящается//ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. — 2008, № 5. С. 112.

11

Менцин Ю. Л. Тонкие пальчики японских нанодевочек// Вокруг света. — 28.08.2007.