100 великих изобретений
Шрифт:
В качестве активного вещества в лазерах кроме рубина могут использоваться и многие другие соединения, например, фтористый стронций с примесями, фтористый барий с примесями, стекло и т.д. Им может быть и газ. В том же 1960 году газовый лазер на гелий-неоновой основе создал Али Джаван. Возбужденное состояние газовой смеси достигалось за счет сильного электрического поля и газовых разрядов. Однако как твердотельные, так и газовые лазеры имеют очень низкий КПД. Их выходная энергия не превышает 1% от потребленной. Следовательно, остальные 99% тратятся бесполезно. Поэтому очень важным стало изобретение в 1962 году Басовым, Крохиным и Поповым полупроводникового лазера. Советские физики открыли, что если на полупроводники воздействовать электрическим или световым импульсом, то часть электронов покинет свои атомы, и здесь образуются «дырки», которые играют роль положительных зарядов. Одновременное возвращение электронов на орбиты атомов можно рассматривать как переход с более высокого энергетического уровня на более низкий, за счет чего происходит излучение фотонов. КПД полупроводникового лазера при возбуждении электронным пучком может достигать 40%. В качестве активного вещества использовался арсенид галлия, содержащий примеси n-типа. Из этого материала делались заготовки либо в форме куба, либо в форме параллелепипеда — так называемый полупроводниковый диод. Пластинку диода припаивали к молибденовому лепестку, покрытому золотом, чтобы обеспечить электрический контакт с n-областью. На поверхность p-области был нанесен сплав золота с серебром. Торцы диода играли роль резонатора, поэтому они тщательно полировались. Одновременно в процессе полировки их с высокой точностью выставляли параллельно друг другу. Излучение выходило именно из этих сторон диода. Верхняя и нижняя стороны служили контактами, к которым прикладывалось напряжение. На вход прибора подавались импульсы.
Лазеры очень быстро вошли в жизнь человека и стали применяться во многих областях техники и науки. Их промышленный выпуск начался в 1965 году, когда только в Америке более 460 компаний взялись за разработку и создание лазерных установок.
94. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
Микроэлектроника — наиболее значительное и, как считают многие, важнейшее научно-техническое достижение современности. Сравнить ее можно с такими поворотными событиями в истории техники, как изобретение книгопечатания в XVI веке, создание паровой машины в XVIII веке и развитие электротехники в XIX. И когда сегодня речь заходит о научно-технической революции, то в первую очередь имеется в виду именно микроэлектроника. Как ни одно другое техническое достижение наших дней, она пронизывает все сферы жизни и делает реальностью то, что еще вчера было просто невозможно себе представить. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о карманных микрокалькуляторах, миниатюрных радиоприемниках, электронных управляющих устройствах в бытовых приборах, часах, компьютерах и программируемых ЭВМ. И это лишь небольшая часть области ее применения!
Своим возникновением и самим существованием микроэлектроника обязана созданию нового сверхминиатюрного электронного элемента — интегральной микросхемы. Появление этих схем, собственно, не было каким-то принципиально новым изобретением — оно прямо вытекало из логики развития полупроводниковых приборов. Поначалу, когда полупроводниковые элементы только входили в жизнь, каждый транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, то есть заключался в свой индивидуальный корпус и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Так поступали даже в тех случаях, когда приходилось собирать множество однотипных схем из одних и тех же элементов. Но постепенно пришло понимание того, что подобные устройства рациональнее не собирать из отдельных элементов, а сразу изготавливать на одном общем кристалле, тем более что полупроводниковая электроника создавала для этого все предпосылки. В самом деле, все полупроводниковые элементы по своему устройству очень похожи друг на друга, имеют одинаковый принцип действия и различаются только взаиморасположением p-n областей. Эти p-n области, как мы помним, создаются путем внесения однотипных примесей в поверхностный слой полупроводникового кристалла. Причем надежная и со всех точек зрения удовлетворительная работа подавляющего большинства полупроводниковых элементов обеспечивается при толщине поверхностного рабочего слоя в тысячные доли миллиметра. В самых миниатюрных транзисторах обычно используется только верхний слой полупроводникового кристалла, составляющий всего 1% его толщины. Остальные 99% выполняют роль носителя или подложки, так как без подложки транзистор просто мог разрушиться от малейшего прикосновения. Следовательно, используя технологию, применяемую для изготовления отдельных электронных компонентов, можно сразу создать на одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен и даже тысяч таких компонентов. Выигрыш от этого будет огромный. Во-первых, сразу снизятся затраты (стоимость микросхемы обычно в сотни раз меньше, чем совокупная стоимость всех электронных элементов ее составляющих). Во-вторых, такое устройство будет гораздо надежнее (как показывает опыт, в тысячи и десятки тысяч раз), а это имеет колоссальное значение, поскольку поиск неисправности в схеме из десятков или сотен тысяч электронных компонентов превращается в чрезвычайно сложную проблему. В-третьих, из-за того, что все электронные элементы интегральной микросхемы в сотни и тысячи раз меньше своих аналогов в обычной сборной схеме, их энергопотребление намного меньше, а быстродействие — гораздо выше.
Ключевым событием, возвестившем приход интегрализации в электронику, явилось предложение американского инженера Дж. Килби из фирмы «Texas Instruments» получать эквивалентные элементы для всей схемы, такие как регистры, конденсаторы, транзисторы и диоды в монолитном куске чистого кремния. Первую интегральную полупроводниковую схему Килби создал летом 1958 года. А уже в 1961 году фирма «Fairchild Semiconductor Corporation» выпустила первые серийные микросхемы для ЭВМ: схему совпадений, полусдвигающий регистр и триггер. В том же году производство полупроводниковых интегральных логических схем освоила фирма «Texas». В следующем году появились интегральные схемы других фирм. В короткое время в интегральном исполнении были созданы различные типы усилителей. В 1962 году фирма RCA разработала интегральные микросхемы матриц памяти для запоминающих устройств ЭВМ. Постепенно выпуск микросхем был налажен во всех странах — эра микроэлектроники началась.
Исходным материалом для интегральной микросхемы обычно служит необработанная пластина из чистого кремния. Она имеет сравнительно большие размеры, так как на ней одновременно изготавливают сразу несколько сотен однотипных микросхем. Первая операция состоит в том, что под воздействием кислорода при температуре 1000 градусов на поверхности этой пластины формируют слой двуокиси кремния. Оксид кремния отличается большой химической и механической стойкостью и обладает свойствами прекрасного диэлектрика, обеспечивающего надежную изоляцию расположенному под ним кремнию. Следующий шаг — внесение примесей для создания зон p или n проводимости. Для этого оксидную пленку удаляют с тех мест пластины, которые соответствуют отдельным электронным компонентам. Выделение нужных участков происходит с помощью процесса, получившего название фотолитографии. Сначала весь слой оксида покрывают светочувствительным составом (фоторезистом), который играет роль фотографической пленки — его можно засвечивать и проявлять. После этого через специальный фотошаблон, содержащий рисунок поверхности полупроводникового кристалла, пластину освещают ультрафиолетовыми лучами. Под воздействием света на слое оксида формируется плоский рисунок, причем незасвеченные участки остаются светлыми, а все остальные — затемненными. В том месте, где фоторезистор подвергся действию света, образуются нерастворимые участки пленки, стойкие к кислоте. Затем пластину обрабатывают растворителем, который удаляет фоторезист с засвеченных участков. С открывшихся мест (и только с них) слой оксида кремния вытравливают с помощью кислоты. В результате в нужных местах оксид кремния растворяется и открываются «окна» чистого кремния, готовые к внесению примесей (лигированию). Для этого поверхность подложки при температуре 900-1200 градусов подвергают воздействию нужной примеси, например, фосфора или мышьяка, для получения проводимости n-типа. Атомы примеси проникают в глубь чистого кремния, но отталкиваются его оксидом. Обработав пластину одним видом примеси, готовят ее для лигирования другим видом — поверхность пластины вновь покрывают слоем оксида, проводят новую фотолитографию и травление, в результате чего открываются новые «окошки» кремния. Вслед за тем следует новое лигирование, например бором, для получения проводимости p-типа. Так на всей поверхности кристалла в нужных местах образуются p и n области. (Изоляция между отдельными элементами может создаваться несколькими способами: такой изоляцией может служить слой оксида кремния, можно также создавать в нужных местах запирающие p-n переходы.) Следующий этап обработки связан с нанесением токопроводящих соединений (токопроводящих линий) между элементами интегральной схемы, а также между этими элементами и контактами для подключения внешних цепей. Для этого на подложку напыляют тонкий слой алюминия, который оседает в виде тончайшей пленки. Ее подвергают фотолитографической обработке и травлению, аналогичным описанным выше. В результате от всего слоя металла остаются только тонкие токопроводящие линии и контактные площадки. В заключение всю поверхность полупроводникового кристалла покрывают защитным слоем (чаще всего, силикатным стеклом), который затем удаляют с контактных площадок. Все изготовленные микросхемы подвергаются строжайшей проверке на контрольно-испытательном стенде. Дефектные схемы помечаются красной точкой. Наконец кристалл разрезается на отдельные пластинки-микросхемы, каждая из которых заключается в прочный корпус с выводами для присоединения к внешним цепям.
Сложность интегральной схемы характеризуется показателем, который получил название степени интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, — интегральными схемами со средней степенью интеграции; схемы, содержащие до десятка тысяч элементов, — большими интегральными схемами. Уже изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов (они называются сверхбольшими). Постепенное повышение интеграции привело к тому, что схемы с каждым годом становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными. Огромное количество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке. Чрезвычайно важным событием на этом пути стало создание в 1971 году американской фирмой «Интел» единой интегральной схемы для выполнения арифметических и логических операций — микропроцессора. Это повлекло за собой грандиозный прорыв микроэлектроники в сферу вычислительной техники.
95. КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ
Космическими кораблями в наше время называются аппараты, созданные для доставки космонавтов на околоземную орбиту и возвращения их потом на Землю. Понятно, что технические требования к космическому кораблю более жесткие, чем к любым другим космическим аппаратам. Условия полета (перегрузки, температурный режим, давление и т.п.) должны выдерживаться для них очень точно, дабы не создалась угроза жизни человека. В корабле, который на несколько часов или даже суток становится домом для космонавта, должны быть созданы нормальные человеческие условия — космонавт должен дышать, пить, есть, спать, отправлять естественные потребности. Он должен иметь возможность в процессе полета разворачивать корабль по своему усмотрению и менять орбиту, то есть корабль при своем движении в пространстве должен легко переориентироваться и управляться. Для возвращения на Землю космический корабль должен погасить всю ту огромную скорость, которую сообщила ему при старте ракета-носитель. Если бы Земля не имела атмосферы, на это пришлось бы потратить столько же горючего, сколько было израсходовано при подъеме в космос. К счастью, в этом нет необходимости: если осуществлять посадку по очень пологой траектории, постепенно погружаясь в плотные слои атмосферы, то можно затормозить корабль о воздух с минимальной затратой горючего. Как советские «Востоки», так и американские «Меркурии» осуществляли посадку именно таким образом и этим объясняются многие особенности их конструкции. Поскольку значительная часть энергии при торможении идет на нагрев корабля, то без хорошей тепловой защиты он просто сгорит, как сгорает в атмосфере большая часть метеоритов и заканчивающих свое существование спутников. Поэтому приходится защищать корабли громоздкими жаропрочными теплозащитными оболочками. (Например, на советском «Востоке» ее вес составлял 800 кг — треть всего веса спускаемого аппарата.) Желая по возможности облегчить корабль, конструкторы снабжали этим экраном не весь корабль, а только корпус спускаемого аппарата. Таким образом, с самого начала утвердилась конструкция разделяющегося корабля (она была опробована на «Востоках», а потом стала классической для всех советских и многих американских космических кораблей). Корабль состоит как бы из двух самостоятельных частей: приборного отсека и спускаемого аппарата (последний служит во время полета кабиной космонавта).
Первый советский космический корабль «Восток» при общей массе 4, 73 т выводился на орбиту с помощью трехступенчатой ракеты-носителя того же названия. Полная стартовая масса космического комплекса составляла 287 т. Конструктивно «Восток» состоял из двух основных отсеков: спускаемого аппарата и приборного отсека. Спускаемый аппарат с кабиной космонавта был выполнен в форме шара диаметром 2, 3 м и имел массу 2, 4 т.
Герметичный корпус изготовлялся из алюминиевого сплава. Внутри спускаемого аппарата конструкторы стремились расположить только те системы и приборы корабля, которые были необходимы в течение всего полета, или те, которыми непосредственно пользовался космонавт. Все остальные были вынесены в приборный отсек. Внутри кабины размещалось катапультируемое кресло космонавта. (На случай, если бы пришлось катапультироваться при старте, кресло снабжалось двумя пороховыми ускорителями.) Здесь же находились пульт управления, запасы пищи и воды. Система жизнеобеспечения была рассчитана на работу в течение десяти суток. Космонавт должен был в течение всего полета находиться в герметическом скафандре, но с открытым шлемом (этот шлем автоматически закрывался в случае внезапной разгерметизации кабины).
Внутренний свободный объем спускаемого аппарата составлял 1, 6 кубического метра. Необходимые условия в кабине космического корабля поддерживали две автоматические системы: система жизнеобеспечения и система терморегулирования. Как известно, человек в процессе жизнедеятельности потребляет кислород, выделяет углекислый газ, тепло и влагу. Эти две системы как раз и обеспечивали поглощение углекислого газа, пополнение кислородом, отбор из воздуха избыточной влаги и отбор тепла. В кабине «Востока» поддерживалось привычное на Земле состояние атмосферы с давлением 735-775 мм рт. ст. и 20-25% содержания кислорода. Устройство системы терморегулирования отчасти напоминало кондиционер. Она содержала воздушно-жидкостной теплообменник, по змеевику которого протекала охлажденная жидкость (холодоноситель). Вентилятор прогонял через теплообменник теплый и влажный воздух кабины, который охлаждался на его холодных поверхностях. Влага при этом конденсировалась. Холодоноситель поступал в спускаемый аппарат из приборного отсека. Поглотившая тепло жидкость принудительно прогонялась насосом через радиатор-излучатель, расположенный на наружной конической оболочке приборного отсека. Температура холодоносителя автоматически поддерживалась в нужном диапазоне при помощи специальных жалюзи, закрывавших радиатор. Створки жалюзи могли открываться или закрываться, изменяя потоки тепла, излучаемые радиатором. Чтобы поддерживать нужный состав воздуха, в кабине спускаемого аппарата имелось регенерационное устройство. Воздух кабины при помощи вентилятора непрерывно прогонялся через специальные сменные патроны, содержавшие надперекиси щелочных металлов. Такие вещества (например, K2O4) способны эффективно поглощать углекислый газ и выделять при этом кислород. Работой всей автоматики руководило бортовое программное устройство. Включение различных систем и приборов производилось как по командам с Земли, так и самим космонавтом. На «Востоке» имелся целый комплекс радиосредств, позволявший вести и поддерживать двухстороннюю связь, производить различные измерения, вести управление кораблем с Земли и многое другое. С помощью передатчика «Сигнал» постоянно поступала информация датчиков, расположенных на теле космонавта, относительно его самочувствия. Основу системы энергоснабжения составляли серебряно-цинковые аккумуляторы: основная батарея размещалась в приборном отсеке, а дополнительная, обеспечивающая электропитание на спуске — в спускаемом аппарате.
Приборный отсек имел массу 2, 27 т. Вблизи его стыка со спускаемым аппаратом находились 16 сферических баллонов с запасами сжатого азота для микродвигателей ориентации и кислорода для системы жизнеобеспечения. Очень важное значение в любом космическом корабле играет система ориентации и управления движением. На «Востоке» она включала в себя несколько подсистем. Первая из них — навигационная — состояла из ряда датчиков положения космического корабля в пространстве (в том числе датчик Солнца, гироскопические датчики, оптическое устройство «Взор» и другие). Сигналы от датчиков поступали в управляющую систему, которая могла работать автоматически или с участием космонавта. На пульте космонавта имелась рукоятка ручного управления ориентацией космического корабля. Разворачивание корабля происходило при помощи целого набора расположенных определенным образом небольших реактивных сопел, в которые подавался из баллонов сжатый азот. Всего на приборном отсеке имелось два комплекта сопел (по восемь в каждом), которые могли подключаться к трем группам баллонов. Главная задача, которая решалась при помощи этих сопел, заключалась в том, чтобы правильно ориентировать корабль перед подачей тормозного импульса. Это требовалось сделать в определенном направлении и в строго определенное время. Ошибка здесь не допускалась.