Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2016
Maria Guerra
Electronic Design
Доктор Джеймс Р. «Боб» Биард (James R. “Bob” Biard, род. 20 мая 1931 года) – американский инженер-электрик и изобретатель, которому принадлежат 72 патента США, включая патенты на инфракрасный арсенид галлиевый (GaAs) светодиод, оптический изолятор, транзистор Шоттки и постоянное запоминающее устройство на МОП-структурах (MOS ROM). С 1980 года он был в штате Техасского университета A&M в качестве адъюнкт-профессора электротехники. В этом году исполняется 55 лет с тех пор, как доктор Биард и Гари Питтман (Gary Pittman) впервые наблюдали излучение арсенид галлиевого светодиода в Texas Instruments (TI) в Далласе. Недавно доктор Биард дал интервью, где поделился своими воспоминаниями и мыслями по ряду вопросов.
В вашей биографии упоминается, что вы начали работать в TI в 1957 году, через три дня после того, как получили кандидатскую степень в Техасском университете A&M. Это было за год до найма Джека Килби (Jack Kilby), изобретателя интегральной схемы. Вы помните, какая атмосфера была в TI летом 1958 года, когда он разработал свою первую германиевую микросхему?
 |
||
| Находящийся на пенсии Джеймс «Боб» Биард, легенда Texas Instruments, чувствует себя прекрасно. |
||
Это было очень интересное время. Много интересного происходило тогда. Транзисторы, вплоть до времени Килби, в основном имели выращенные или сплавные переходы, или же представляли собой мезаструктуры, изготовленные либо из германия, либо из кремния. Все эти устройства были дискретными транзисторными чипами, смонтированными в корпусах различных видов, которые имели три вывода (эмиттер, база и коллектор). Вместе с другими компонентами, такими как резисторы и конденсаторы, эти транзисторы использовались для построения полезных электронных схем, как правило, на печатных платах. Это позволило значительно сократить размеры по сравнению с более ранними ламповыми версиями подобных схем. Однако, по мере того, как схемы усложнялись, транзисторные схемы также стали довольно большими.
Поскольку Килби был нанят недавно, права на отпуск у него еще не было. Он работал, когда все остальные ушли в коллективный отпуск, что в то время в TI было обычной практикой. Вот во время этого группового отпуска он и придумал уникальную технологию, которая позволит значительно уменьшить размеры электронных схем, делая все транзисторы, резисторы и конденсаторы из полупроводника. Его первая интегральная схема представляла собой однокаскадный усилитель, изготовленный из германия. Она содержала сделанные на кристалле германия транзистор, резисторы и используемый в качестве конденсатора диод с p-n переходом. Эти элементы цепи подключались друг к другу с помощью проволочных соединений. Взяв за основу его разработку, TI подала заявку на патент интегральной схемы. Однако германиевая интегральная схема никогда не стала рыночным продуктом. Полупроводниковая индустрия только начинала разрабатывать кремниевую планарную технологию, и около шести месяцев спустя Роберт Нойс (Robert Noyce) из Fairchild Semiconductor придумал метод соединения транзисторов, резисторов и конденсаторов на P-N переходе в рабочую схему с использованием алюминиевой металлизации над слоем диоксида кремния, сформированным на поверхности планарного кремниевого кристалла. Это была разработка, сделавшая оригинальную идею Килби для интегральной схемы реализуемой на практике. О Килби и Нойсе часто говорят как о соавторах изобретения интегральной схемы. Основная идея первому пришла в голову Килби, но в жизнь воплотил ее Нойс. Роберт Нойс умер в 1990 году в возрасте 62 лет. В 2000 году Килби получил Нобелевскую премию по физике за изобретение интегральной схемы и умер в 2005 в возрасте 81 года.
Джек Килби был моим боссом в течение нескольких лет до 1969 года, когда я работал в TI, и он сыграл важную роль в моем выдвижении на должность адъюнкт-профессора электротехники в Техасском университете A&M.
Одним из первых ваших проектов в TI была работа над усилителем постоянного тока с низким дрейфом, которую вы вели совместно с вашим бывшим профессором из Техасского университета A&M Вальтером Т. Матзеном (Walter T. Matzen). Эта работа в конечном итоге привела к одному из ваших первых патентов – дифференциальному усилителю постоянного тока. Можете ли Вы рассказать о некоторых деталях того, как получился этот патент, и каково его значение?
Вальтер Матзен был моим научным руководителем в A&M и, кроме того, работал в дипломной комиссии. Мы оба пришли в TI 3 июня 1957 года и в течение некоторого времени продолжали работать вместе. Мое образование в области полупроводников началось с момента поступления в TI. Основной акцент в нашем первом проекте был сделан на описании характеристик биполярного транзистора, влияющих на смещение и дрейф. Есть два основных параметра: 1) зависимость напряжения эммитер-база от тока коллектора и температуры и 2) зависимость тока базы от тока коллектора и температуры. После описания этих зависимостей, мы начали разрабатывать транзисторный дифференциальный усилитель постоянного тока с малым смещением и низким температурным дрейфом. Усилитель был реализован с использованием тщательно подобранных пар дискретных кремниевых транзисторов с выращенными переходами.
Мы подали наш патент в марте 1958 года. Затем в январе 1959 мы опубликовали статью в журнале Electronics. Честно говоря, я не помню, был ли наш транзисторный усилитель постоянного тока первым, или только одним из первых. Тогда все происходило довольно быстро. Тем не менее, эквивалентная схема дрейфа и метод анализа, разработанные по этой программе, легли в основу большей части работы, которую вела в TI над дифференциальными транзисторными усилителями. С одним из специалистов-электронщиков мы разработали и собрали один из первых полностью автоматических стендов для испытания транзисторов. Он был назван Последовательный механизм для автоматической записи и тестирования (Sequential Mechanism for Automatic Recording and Testing, или SMART). SMART-1 мог выполнять над транзистором до 18 тестов с переменным и постоянным током и записывать результаты этих испытаний непосредственно на карту IBM без вмешательства человека. В результате этой работы появилась коммерческая линейка машин SMART, которые изготавливались и продавались отделом промышленных приборов TI. Коммерческие машины SMART использовались в основном для входного контроля и испытаний на стойкость партий компонентов там, где это было необходимо для формирования идентификационных карт компонентов с записями измеренных параметров.
 |
||
| Инженеры Texas Instruments в Далласе в начале 1960-х годов. Слева направо: стоят Чарльз Фиппс (Charles Phipps), Джо Уивер (Joe Weaver); сидят Джеймс Р. Биард, Джек Килби и Джеймс Фишер (James Fischer). |
||
В сентябре 1961 года вы с коллегой Гари Питтманом работали над проектом разработки арсенид галлиевых варакторов, когда впервые заметили излучение света. Можете ли вы объяснить, что вы исследовали вдвоем, когда создали тестовую структуру на подложке арсенида галлия?
Сначала мы думали, что видим избыточный ток в области впадины характеристики туннельных диодов, конструированием которых мы тогда занимались, и почувствовали, что это может дать новый толчок разработке варакторов. Я придумал теорию для описания избыточного тока как следствия излучательной рекомбинации, в которой испускаемый фотон стимулировал для разряда другие центры. Исходя из этой теории, я предположил, что вынужденное излучение можно было бы использовать для того, чтобы сделать арсенид галлиевый лазерный диод. Для проверки теории мы создали структуру с туннельным диодом на полуизолирующей арсенид галлиевой подложке и обнаружили, что в области прямого смещения вольтамперной характеристики диода на самом деле появлялся избыточный ток. Когда мы сместили туннельный диод в прямом направлении, проводимость полуизолирующей GaAs подложки изменилась. Это заставило нас подумать, что GaAs диоды могут испускать фотоны. Впрочем, излучаемый свет был инфракрасным, не видимым человеческим глазом. Примерно в это же время одна японская фирма привезла в отдел контроля качества TI инфракрасный микроскоп, чтобы использовать его для контроля кремниевых пластин. Когда Гари и я узнали о том, что он был в здании, мы взяли несколько арсенид галлиевых варакторов и туннельных диодов с зажимами и батареями и отправились в Отдел контроля качества. Мы обнаружили, что, когда варакторы и туннельные диоды были смещены в прямом направлении, все они излучали инфракрасный свет, который можно было увидеть с помощью этого микроскопа. Примерно год спустя мы подали заявку на патент. В центральном научно-исследовательском подразделении TI считали, что полупроводниковые приборы не излучают свет, но мы доказали, что они не правы.
В октябре 1962 года на основе вашего проекта TI выпустила арсенид галлиевый светодиод SNX-100. Это был первый коммерческий светодиодный продукт. В октябре 1963 года TI выпустила первый полусферический продукт, арсенид галлиевый светодиод SNX-110. Каковы были причины того, что вы и ваша команда перешли от плоской квадратной формы кристалла к куполообразной?
Если кристалл светодиода имеет прямоугольную форму, лишь около 4% внутренне излучаемого света выходит под углом, достаточно малым, чтобы покинуть верхнюю плоскую поверхность кристалла. Это происходит потому, что показатель преломления арсенид галлия настолько высок (около 3.6), что дает угол полного внутреннего отражения порядка 16.1°. Если бы весь свет можно было направить вверх без поглощения, это увеличило бы светоотдачу в 25 раз. Когда форма кристалла представляет собой полусферический купол с областью перехода, ограниченной центральной частью плоской поверхности купола, все непоглощенные фотоны, излучаемые на переходе, ударяются о выходную поверхность купола под углом, меньшим критического. Так происходит, когда радиус купола больше, радиуса перехода на величину равную или большую, чем показатель преломления арсенида галлия. Это значительно увеличивает светоотдачу за счет исключения полного внутреннего отражения, однако увеличение не получается 25-кратным из-за поглощения, происходящего в большем радиусе купола в арсениде галлия. Арсенид галлия N-типа между переходом и выходной поверхностью не полностью прозрачен для длины волны, испускаемой на P-N переходе. На большей длине пути в купольной светодиодной структуре фотоны поглощаются сильнее, чем на коротком пути в светодиоде с прямоугольным кристаллом. Тем не менее, полусферический купол по сравнению с прямоугольным светодиодом позволил значительно увеличить общую выходную мощность для заданного тока прямого смещения.
В 1960-е годы одним из основных спонсоров исследований в области интегральных схем были военно-воздушные силы США. Была ли подобная ситуация со светодиодами?
Да. Некоторые из опытно-конструкторских работ, которые мы проводили со светодиодами, финансировались ВВС США, базировавшимися в Райт-Паттерсон.
В декабре 1962 года Ник Холоньяк-младший (Nick Holonyak, Jr.) из General Electric сообщил о получении видимого красного излучения из светодиода. Вы когда-нибудь встречались с ним? Если это так, то обсуждали ли вы с ним свои собственные работы над светодиодами?
Я знаю Ника Холоньяка и переписывался с ним на протяжении многих лет. Видимо, моя запись в инженерной тетради об арсенид галлиевом туннельном диоде на полуизолирующий подложке предшествовала ранней работе его группы в General Electric над красными арсенид-фосфид галлиевыми светодиодами (GaAsP). Когда мы услышали о работе, которую они делали, мы сразу же начали в TI программу по разработке красных светодиодов. Однажды я послал Нику копию моего файла PowerPoint, в котором был задокументирован процесс изобретения этого светодиода. Думаю, в целом он согласился, что мой патент на инфракрасный светодиод предшествовал его красному светодиоду.
Знали ли вы внука Альберта Эйнштейна, Бернхарда Цезаря Эйнштейна (Bernhard Caesar Einstein), когда он работал в TI в 1960-е годы?
Нет, насколько я помню, но я читал, что у нас был один и тот же босс, доктор Ричард Петритц (Richard Petritz). Когда Гари Питтман и я были в Лаборатории изучения и разработки полупроводников (SRDL), д-р Петритц был директором. Под его руководством было более 300 технических специалистов. Я думаю, что прежде чем д-р Петритц перешел в отдел полупроводников, чтобы возглавить SRDL, он был был в Центральном научно-исследовательском подразделении TI. Если Бернхард работал в Центральном научно-исследовательском подразделении, то это могло бы объяснить, почему я не знал его. По-видимому, он работал с Хансом Юрг Стокером (Hans Jurg Stocker). Я помню это имя. Стокер работал над инфракрасными детекторами и диодами на основе антимонида индия (InSb). В то время Гари и я работали почти исключительно с арсенидом галлия и арсенид-фосфидом галлия.
