Отечественные полупроводники: история и современность

Полупроводники являются ключевым элементом современной электроники. Они обладают уникальной способностью действовать как изолятор в зависимости от факторов окружающей среды: температуры, света, электрического тока или даже электрического поля. Без полупроводников смартфоны, компьютеры, медицинское оборудование и всевозможные вычислительные устройства просто не существовали бы. О том, как зарождалось производство полупроводников в СССР, и какие перспективы у отрасли, читайте в нашем обзоре.

Что такое полупроводники?

Полупроводник — материал, который по удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. В основном это кристаллическое твердое вещество. При определенных условиях оно проводит электричество, что делает его идеальным для управления потоком тока. Полупроводники — это особый тип материала, который является основой для микрочипов.


Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или вообще блокируют его. Но с ростом температуры или под действием света они начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси. Этот процесс называется легированием.

Важное отличие полупроводника от проводника состоит в том, что ток в нем переносится не только электронами, но и оставленными ими вакансиями — дырками. Дырки, оставшиеся в валентной зоне, могут быть заняты электронами из более низких энергетических состояний и тем самым вносить свой вклад в протекание тока.

Одна из ключевых характеристик полупроводника — это подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Это коэффициент, который показывает зависимость между средней скоростью частиц и приложенным внешним электрическим полем. Подвижность электронов и дырок может быть разной, например, у кремния при комнатной температуре отрицательно заряженные частицы движутся почти в три раза быстрее положительных.

Кроме того, полупроводники различаются по ширине запрещенной зоны. Это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. У металлов и других полупроводников она равна нулю, а при достижении уровня в 4 эВ и больше материал становится диэлектриком. Еще одна важная характеристика полупроводников — это теплопроводность. Она показывает, насколько быстро и просто можно будет отводить от компонентов тепло, чтобы защитить устройство от перегрева.

По агрегатному состоянию полупроводники делятся на твердые и жидкие; по внутренней структуре – на кристаллические и аморфные; по химическому составу – на неорганические и органические; по степени чистоты – на собственные и примесные.

Наиболее широко изучены и используются в полупроводниковой электронике кристаллические неорганические полупроводники. Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются элементы четырнадцатой группы: кремний и германий. Соединения элементов тринадцатой и пятнадцатой групп – например, арсенид галлия, нитрид галлия, антимонид индия, или двенадцатой и шестнадцатой групп – например, теллурид кадмия – также являются полупроводниками.

А помнишь, как все начиналось?

Рождение полупроводниковой электроники принято отсчитывать со времени открытия транзисторов: 1948 год — точечно-контактные транзисторы, 1949-й — плоскостные транзисторы.

Транзистор — это полупроводниковый прибор, способный управлять большим выходным током с помощью небольшого входного сигнала. Данное свойство позволяет применять его в цепях переключения, усиления и генерирования. Сейчас транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Фактически полупроводниковые приборы были созданы и широко использовались за десятки лет до появления транзисторов. Фотоэлектрические явления в полупроводниках были открыты еще в XIX веке. Появились первые фотоэлементы на основе селена. В полупроводниковых структурах была обнаружена нелинейность вольтамперных характеристик и были созданы полупроводниковые выпрямители на основе селена и закиси меди.

В начале XX века получили широкое практическое применение детекторы электромагнитных излучений с использованием прижимного металлического острия к полупроводнику.


Широкий комплекс оригинальных исследований полупроводников и разработок приборов на их основе провел в 1920−1930 годах пионер полупроводниковой электроники и светодиодных технологий Олег Владимирович Лосев.

В Нижегородской радиолаборатории при исследовании прижимных точечно-контактных детекторов на кристаллах карбида кремния Лосев обнаружил в их вольтамперной характеристике отрицательное дифференциальное сопротивление и создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. На этой основе впервые в мире было создано детекторное приемопередаточное устройство — кристадин, вызвавшее большой интерес как в нашей стране, так и за рубежом.

В 1927 году ученый открыл излучение света в карбидокремниевом точечно-контактном детекторе при приложении электрического смещения в пропускном направлении. Приоритет Лосева в открытии рекомбинационного излучения признан мировой научной общественностью. В США этот эффект получил название «Losev-light».

Советский исследователь первым открыл и новое явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Ученый объяснил это явление существованием в детектирующем контакте некоторого «активного слоя» (впоследствии названного p-n-переходом, от p — positive, и n — negative)».


В 1950 году экспериментальные образцы германиевых транзисторов были созданы в Физическом институте Академии наук и Ленинградском физико-техническом институте. В 1953 году был организован первый в СССР институт полупроводников (ныне — НИИ «Пульсар»).

Здесь разрабатывались транзисторы, обеспечившие радиосвязь с первым космическим спутником, и первые в СССР промышленные образцы микросхем. Сегодня предприятие в составе холдинга «Росэлектроника» госкорпорации «Ростех» – один из лидеров в сфере отечественной полупроводниковой электроники.

В СССР разработкой полупроводников занималось одновременно несколько научных коллективов, которые зачастую не знали о результатах друг друга по причине секретности их работ. Пионером в открытии транзистора считается группа под руководством Александра Красилова, занимавшаяся проблемой в НИИ-160 (ныне НПП «Исток» в составе «Росэлектроники»). Именно здесь на основе работы дипломницы Московского химико­технологического института Сусанны Мадоян в конце 1948-го – начале 1949 года был создан первый советский транзистор.

В 1953 году принимается решение об организации первого в стране специализированного НИИ для комплексного решения вопросов развития полупроводниковой электроники. Им становится НИИ-35, будущее НПП «Пульсар». Туда переводится лаборатория Красилова, в которой Мадоян разработала первые сплавные германиевые транзисторы. Эта разработка стала основой серийных приборов типа П1, П2, П3 и их дальнейших модификаций. При НИИ также был создан опытный завод для производства разработок института.


Стоит отметить, что продолжительное время в научной среде к транзисторам относились скептически. Но прогресс в итоге взял свое: уже в 1957 году в СССР было выпущено 2,7 млн транзисторов. Эти маленькие устройства сыграли большую роль в развитии ракетной и космической техники, а затем и вычислительных машин, в приборостроении и других отраслях промышленности.

В 1956–1957 годах в НИИ «Пульсар» создаются первые советские диффузионно-сплавные транзисторы П401, выпускавшиеся до 1990-х годов. Именно они были задействованы в радиопередатчике первого искусственного спутника Земли.

К 1962 году транзисторами занимались уже более десяти предприятий страны, номенклатура приборов составляла десятки типов, а объем выпуска измерялся миллионами.  Период от 1960-х до конца 1980-х годов характеризовался интенсивным развитием полупроводниковых приборов и ростом объемов их производства в стране.


Возвращаем утраченные позиции

После распада СССР в 1991 году российская полупроводниковая отрасль переживала тяжелые времена. Многие предприятия закрылись или изменили профиль работы. Однако с ростом интереса к высоким технологиям в 2000-х годах началась новая волна развития, были сделаны усилия по модернизации и созданию новых линий по производству полупроводников.

В последние годы в России активизировались разработки в области микроэлектроники и полупроводников. Правительство РФ разработало программу поддержки микроэлектронной отрасли с объемом финансирования около 3,5 трлн рублей до 2030 года.

Вице-премьер Дмитрий Чернышенко в своем видеообращении к участникам форума «Микроэлектроника 2023» отметил, что санкции открыли «уникальное окно возможностей» для развития отечественных разработок, а российские компании, по его словам, стали быстро занимать освободившуюся нишу и строить собственную технологическую экосистему с опорой на научный и производственный потенциал.


Вице-премьер подчеркнул, что в России реализуются якорные проекты по созданию перспективного технологического оборудования для выпуска полупроводников, строятся новые производственные площадки, а крупнейшие торговые компании трансформируются в торгово-промышленные холдинги, что обеспечивает кратный рост частных инвестиций в разработки и производства.

В частности, в Зеленограде появится «гигантское суверенное производство силовых полупроводников», не имеющее аналогов в стране. Группа компаний «Элемент» намерена начать выпуск силовых диодов и транзисторов на основе кремния и карбида кремния. Масштабы выпуска внушительные – вплоть до 140 тыс. пластин с кристаллами полупроводников в год, и это на начальном этапе.

Для реализации масштабного проекта были привлечены заемные средства в размере 15 млрд рублей. Кредит выдала госкорпорация «ВЭБ.РФ» в рамках программы «кластерная инвестиционная платформа», сообщает CNews. Согласно прогнозам «Элемента», новое производство может закрыть до 70% потребностей российского рынка в силовой электронике к 2030 году.


Таким образом, полупроводники прошли длинный путь от первых открытий до современных высоких технологий, и их развитие как в СССР, так и в России продолжает быть актуальным и крайне важным для экономики страны.

03.10.2024
Артем Реутов
Фото: ГК «Элемент», «Пульсар», правительство РФ, Kandinsky; Midjourney

Мы рекомендуем: