100 знаменитых изобретений

Для исследования структуры металла Аносов впервые в мировой практике применил микроскоп, заложив основы металлографического анализа. В 1833 г. был выкован первый булатный клинок, перерубавший и гвозди, и тончайший газовый платок. Итог своим многолетним трудам Аносов подвел в своей монографии «О булатах».

Переворот в производстве литой стали призошел во второй половине XIX века. В 1856 г. Генри Бессемер взял патент на изобретение – конвертер, в котором осуществлялась продувка воздухом расплавленного чугуна, что позволяло превращать чугун в сталь без дополнительного нагрева.

В 1864 г. француз Пьер Мартен разработал новый способ выплавки стали, названный затем в его честь. Несмотря на то, что мартеновский процесс был более продолжительным, чем бессемеровский, он обеспечивал более высокое качество стали. Причем сырьем для него могли служить металлолом и отходы конвертерного производства. Плавка в мартене легко контролировалась, и ею можно было управлять. К началу XX в. мартеновский способ по объемам производства превзошел бессемеровский.

Большой вклад в исследование процессов, происходящих в стали, внес русский ученый Д. К. Чернов. Он исследовал нагрев и охлаждение стали, пытаясь найти оптимальный режим термообработки для различных ее сортов. Опыты Чернова помогли разработать способ получения требуемой структуры стали и положили начало новой науке – металловедению.

В начале XIX в. русский ученый Петров выдвинул идею выплавки железа в электропечи. В 1853 г. во Франции был получен первый патент на электропечь. В 1879 г. Вильгельм Сименс построил первую электропечь. Но получаемый в ней металл содержал большое количество примесей. В 1891 г. Н. Г. Славянов осуществил первую плавку стали в тигльной печи, снабженной электродами. В 1892 г. Анри Муассан создал лабораторную электропечь, температура в которой достигала 4000 °C. Благодаря производству дешевой электроэнергии на гидроэлектростанциях были построены электропечи в Швейцарии, Швеции, Германии, США. Высокая температура (до 5000 °C), а также восстановительная атмосфера позволяли получить полностью очищенную от примесей сталь. Именно появление электропечей дало возможность производить сталь с добавками других элементов – хрома, ванадия, вольфрама, титана и др. – легированную сталь.

В XX веке идет работа над заменой доменного процесса. Это связано с удорожанием производства кокса и повышением требований к охране окружающей среды. Еще Д. К. Чернов предложил конструкцию печи, выплавлявшей не чугун, а железо и сталь. В 60-е годы XX века появились комбинаты, сырьем для которых служат окатыши – небольшие «орешки» из железорудного концентрата. В установках прямого восстановления, работающих на природном газе, из окатышей извлекают кислород. На второй стадии в мощных дуговых печах выплавляется высококачественная электросталь, очищенная от примесей. Эта технология позволяет обходиться без кокса, не загрязнять окружающую среду отходами производства.

Передовой технологией является и непрерывная разливка стали. На смену сложной многоступенчатой схеме получения стальных слитков и превращения их в прокатную заготовку пришла единственная операция. Она позволяет превратить расплавленный металл в полуфабрикат для проката. Непрерывная разливка стали намного упростила технологию, что позволило снизить производственные затраты. При этом сократились потери металла, повысилось качество стали. Кроме того, улучшились условия труда и повысилась возможность автоматизации процесса разливки.

В киевском Институте электросварки им. Патона в 1952 г. был разработан способ электрошлакового переплава металлов. Он позволяет получить слитки больших размеров и сложной конфигурации.

Еще одним эффективным методом получения металлических изделий является порошковая металлургия. Она позволяет получать изделия путем прессования и спекания металлических порошков.

Постоянное развитие технологий производства сплавов на основе железа позволяет получать материалы, соответствующие современным требованиям промышленности. Поэтому можно с уверенностью сказать, что железный век человечества продолжается.

Интегральная микросхема

Около полувека в радиотехнике царили электронные лампы. Они были хрупкими, большими, ненадежными, потребляли много энергии и выделяли массу тепла. Появившиеся в 1948 г. транзисторы были надежнее, долговечнее, потребляли меньше энергии, выделяли меньше тепла. Они дали возможность разрабатывать и создавать сложные электронные схемы из тысяч составляющих: транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов. Но это усложнение породило проблему, заключавшуюся в дороговизне ручной пайки многочисленных соединений. Это занимало много времени и снижало общую надежность устройств. Требовался более надежный и рентабельный способ соединения электронных компонентов схем.

Кроме того, работу большинства полупроводниковых приборов обеспечивает тонкий поверхностный слой толщиной в несколько микрометров. Остальная часть кристалла играет роль основания (подложки), необходимого для прочности транзистора или диода.

При изготовлении транзисторов в них размещали три тонких слоя с р– и n-проводимостью, создав в нужных местах пленочные металлизированные контакты для соединения с внешними элементами схемы и диэлектрические пленки, изолирующие каждый контакт. Технология нанесения полупроводниковых металлизированных и диэлектрических пленок послужила основой создания пленочных интегральных микросхем.

Одним из решений проблемы уменьшения количества соединений в электронных схемах стало создание микромодульной технологии. Она поддерживалась Министерством обороны США. Идея состояла в том, что все компоненты должны иметь одинаковые размеры и форму и содержать выводные контакты для межэлементных соединений. При создании схем модули объединялись в сложные объемные структуры с меньшим количеством проводных соединений.

Среди компаний, занимавшихся созданием микромодульных схем, была «Texas Instruments». Один из ее сотрудников, Дж. Килби, считал, что микромодуль не сможет решить проблему уменьшения числа соединений в сложных схемах. Он начал искать другое решение и пришел к выводу, что основу схемы должен составлять полупроводниковый материал. Пассивные элементы схемы (резисторы и конденсаторы) могли быть сделаны из того же материала, что и активные (транзисторы). Если все компоненты сделаны из одного материала, их можно соединить между собой, формируя законченную схему.

В июле 1958 г. Килби начал работать над созданием микросхемы, а 12 сентября того же года он продемонстрировал руководству компании рабочую интегральную схему, сформированную в кусочке германия, наклеенного на стеклянную пластинку.

Промышленники скептически восприняли появление микросхемы. Только военное ведомство США, и в частности воздушные силы, проявили определенный интерес к новому изобретению.

В феврале 1960 г. фирма «Fairchild» выпустила семейство монолитных транзисторных логических элементов с несколькими биполярными транзисторами на одном кристалле кремния. Оно получило название «микрологика». Фундамент развития интегральных микросхем был заложен планарной технологией Хорни и монолитной технологией Нойса в 1960 году. Сначала микросхемы основывались на биполярных транзисторах, а затем на полевых транзисторах и комбинациях обоих видов.

Интегральная схема сначала отвоевала место на рынке военных изделий, благодаря программе создания первого компьютера на полупроводниковых кристаллах для Министерства Воздушных сил в 1961 году и производству ракет «Минитмен» в 1962-м.

Интегральные схемы, содержавшие до 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции, до 1000 – микросхемами со средней степенью интеграции, до 10 000 – большими интегральными схемами.

В 1967 г. был выпущен первый электронный карманный калькулятор. Его размеры были следующими: 108?156?27 мм. Он был создан на основе большой интегральной микросхемы БИС, выполнявшей основные математические действия (сложение, вычитание, умножение и деление). Ее создателями были Дж. Килби, Дж. Мерриман и Джеймс Ван Тассел.

Рассмотрим процесс изготовления интегральной микросхемы, основой которой служит пластина чистого кремния, обладающая р-проводимостью. Ее тщательно обрабатывают: шлифуют, полируют. После этого проводится окисление пластины в атмосфере сухого кислорода. В результате на ее поверхности возникает слой двуокиси кремния SiO

. Он обладает большой прочностью и высокой химической стойкостью.

Затем проводится фотолитография: на пластину наносится светочувствительный слой (фоторезист). На следующем этапе на фоторезист накладывается фотошаблон. На нем фотографическим способом изготовлен рисунок всех элементов, которые необходимо закрепить на подложке. Фоторезист облучается ультрафиолетовым светом, проявляется, полимеризуется и сохраняется в тех местах, где фотошаблон имеет прозрачные окна. Там, где ультрафиолетовый свет не проник через шаблон, фоторезист удаляется химической обработкой. Оставшийся фоторезист служит контактной маской, защищающей те области пленки металла, которые должны быть сохранены от химического воздействия.

Поверхность схемы подвергается химическому травлению, удаляющему пленку металла с поверхности, кроме мест, защищенных фоторезистом.

Применяемый в описанной схеме фоторезист называется негативным. Применяется также позитивный фоторезист, который не закрепляется, а разрушается ультрафиолетовым светом. При его использовании окна на фотошаблоне соответствуют пустым промежуткам на будущей микросхеме.

На участки поверхности подложки, свободные от фоторезиста, вносятся примеси путем легирования – диффузии необходимых примесей внутрь подложки. Такими примесями могут быть сурьма или мышьяк, которые обладают n-проводимостью. Другим способом получения участков с n-проводимостью является планарная технология. Она заключается в том, что перед легированием проводится эпитаксия – постепенное наращивание слоя, по структуре повторяющего кристаллическую структуру подложки, но имеющего отличные от нее физические свойства. Так, методом эпитаксии на подложку с p-проводимостью наносится слой с n-проводимостью. Используя соответствующие маски, в нужные области эпитаксиального слоя вводятся примеси, обеспечивающие p-проводимость.

Все зоны и их контакты создаются в одной плоскости, отсюда и термин «планарная технология».

Для нанесения пленок, легирования подложек применяются вакуумные камеры, в которых могут располагаться электронные пушки, магнетроны, источники рентгеновских или ионных лучей.

После эпитаксии или легирования поверхность вновь покрывают слоем оксида, проводят фотолитографию, травление, открытие новых «окон» кремния, после чего проходит легирование бором, обладающим p-проводимостью. Так создаются базовые области транзисторов, p-n переходы и области резисторов.

При следующей диффузии – диффузии фосфора – формируются эмиттерные области транзисторов. Затем вскрываются «окна» под контакты с областями коллектора, эмиттера и базы транзисторов, p– и n-областями диодов и с резисторами.

Затем создаются внутрисхемные соединения путем напыления пленки алюминия, которая после этого селективно травится путем фотолитографии. Сохраненные участки алюминия образуют электроды элементов, соединительные дорожки и контактные площадки для подсоединения структуры интегральной схемы к выводам корпуса.

Всю поверхность полупроводникового кристалла покрывают защитным слоем, который после этого удаляют с контактных площадок.

Готовые микросхемы подвергают тщательному контролю для выявления дефектных изделий.

Применение микросхем позволило значительно уменьшить размеры радиотехнических приборов, электронно-вычислительных машин, увеличить их быстродействие.

Интернет

С увеличением количества компьютеров возникла проблема обмена информацией. Для постоянного обмена необходимо соединить компьютеры в сеть. Две машины, соединенных проводами, представляют собой простейшую сеть.

Запуск Советским Союзом в 1957 г. искусственного спутника Земли, полет Юрия Гагарина в 1961 г. побудил американцев начать широкомасштабные исследования в области передовых технологий.

В 1968 году Министерство обороны США встало перед необходимостью решения задачи: как связать между собой несколько компьютеров. Тому было две причины:

– проведение научных исследований в военно-промышленной сфере;

– создание сети, устойчивой, в отличие от телефонной, к массовым повреждениям в результате ядерного удара или бомбардировки.

Эта работа была возложена на Advanced Research Projects Agency (ARPA) – Управление передовых исследований Министерства обороны США. Через пять лет появилась ARPA-net. К этой сети предъявлялись следующие требования:

– устойчивость – любая часть сети может быть разрушена без ущерба для функционирования сети в целом;

– равноправность конечных систем – любой компьютер может связаться с другим компьютером как с равным.

Передача данных основана на межсетевом протоколе – Internet Protocol (IP). Протокол IP представляет собой свод правил и описание принципов работы сети. Он включает в себя правила налаживания и поддержания связи в сети, правила общения с данными – указания о том, как и куда их передавать по сети. IP работает в паре с TCP или UDP. UDP обеспечивает транспортировку отдельных сообщений без проверки, тогда как TCP более надежен и предполагает проверку установления соединения.

Сеть проектировалась таким образом, чтобы от пользователя не требовалось никаких знаний о ее структуре, которая может измениться в любой момент. Ею может пользоваться человек, не имеющий технического образования и очень далекий от техники. Для того чтобы послать сообщение по сети, ему достаточно поместить его в некоторый конверт (IP), указать на нем конечный адрес и передать полученные в результате этих процедур пакеты в сеть.

В первые десять лет сети развивались незаметно – они были предназначены для специалистов в области военной техники и для сотрудников вычислительных учреждений. Через десять лет после появления ARPA-net, в конце 1970-х, стали появляться локальные вычислительные сети (ЛВС), например Ethernet. В это же время появились первые суперкомпьютеры и операционная система UNIX. Эти суперкомпьютеры обладали вычислительными мощностями, превышающими возможности больших ЭВМ. Суперкомпьютеры были очень дороги, но при совместном использовании доступными по цене. В Америке было поставлено 5 таких суперкомпьютеров: предполагалось, что на них будут производиться математические расчеты на основе данных, посылаемых по сети из различных научных центров. Затем результаты должны были высылаться обратно. Однако, когда эти компьютеры связали в сеть, оказалось, что их обслуживание слишком дорого. Но сеть для доступа к ним уже была создана.

В то же время стали создаваться другие сети, например сеть NASA. Они использовали протоколы, напоминающие IP. Постепенно эти сети стали объединяться в сеть сетей, и пришлось создавать единое адресное пространство. Единая сеть стала называться Интернет, сеть сетей. В 1972 году было произведено первое международное подключение к Интернет – подключились Англия и Норвегия. Интернет стала сетью международной. В конце 1980-х годов к Интернет стали подключаться страны Восточной Европы.

Одним из достоинств сети была возможность подключения к ней компьютеров различных производителей, которые могли работать совместно с любыми другими компьютерами.