MICRO-ELEKTRONICA Een nieuwe revolutie PRODUKT VAN HET RUIMTEVAART-TIJDPERK perspectief COMPUTERS: SNELLERGOEDKOPER EN BETROUWBAARDER Lichtsnelheid Carrière van transistor Halfgeleider-techniek Kostendaling Naar „vestzak"-computers In de nog jonge wetenschap van de elektronica is een nieuwe revolutie aan de gang. Het is de revolutie van de micro-miniaturisering. Wie vandaag het voorrecht heeft bin nen te treden in de stofvrije, air conditioned klinieken van de met een aureool van almacht omgeven elektronica-specialis- ten krjjgt wonderen te zien waarin 10 jaar geleden nog nie mand geloofde. De transistor die in 1955 in commerciële produk- tie kwam en nieuwe wegen opende voor de vervaardiging van superkleine radio-ontvan gers en gehoor-apparaten, is nu een hopeloos lomp en ondoelma tig ding vergeleken met de com plete circuits van enkele tiental len transistoren, dioden en weer standen die alleen onder een sterke microscoop goed zicht baar zjjn. Waarom deze koorts achtige ontwikkeling naar steeds kleinere elektronische compo nenten? De meeste clcktronica- ingenieurs zullen het paradoxa le antwoord geven dat het in fei te helemaal niet 0111 miniatu risering begonnen is. De bal is aan het rollen gebracht door een aantal collega's uit de ruimte vaartindustrie. Voor de Ameri kaanse ballistische raketten en ruimtevaartuigen moesten in de vijftiger jaren radio- en naviga- tieapparatuur, computers en re gistratiesystemen worden ge bouwd die zo klein en licht mo gelijk waren. De onderzoekin gen naar de mogelijkheden om elektronische circuits steeds kleiner te maken brachten een lawine van nieuwe fundamen tele inzichten en mogelijkheden met zich mee. Men ontdekte nieuwe eigenschappen van som mige vaste stoffen. En men vond methoden om volledige schake lingen met verschillende func ties in deze vaste stoffen te „in tegreren". En dit werd de wer kelijke drijfveer voor de ver kleiningswoede. De elektronica- mensen weten nu dat de micro scopische geïntegreerde circuits de weg openen naar veel snelle re, veel goedkopere en veel be trouwbaarder elektronische ap paratuur. In „Scientific American" onthul len de Amerikaanse elektronica- specialisten William C. Hittinger en Morgan Sparks van Bell Telephone Laboratories dat de micro-techniek het thans mogelijk maakt een com plete schakeling bestaande uit 10 tot 20 transistoren en 40 tot 60 weerstanden te „bouwen" in een stukje silicium van 2,5 of 1,3 milli meter in het vierkant. Tussen de 100 en 500 van zulke „geïntegreerde" circuits kunnen gelijktijdig worden gefabriceerd op een silicium-,.wa fel" met een diameter van 2,5 cm en een dikte van niet meer dan 0,25 mm. Met de nieuwe micro-techniek is het nauwelijks duurder om 100 cir cuit-elementen op een enkel stuk si licium te maken dan één, 10 of 50. Belangrijker nog is dat de 100 ele menten samen een eenheid vormen. Dit maakt de schakeling niet alleen betrouwbaarder maar ook gemak kelijker in te bouwen in het systeem waarvoor zij bedoeld is. Een goede transistor kostte als afzonderlijke eenheid in 1960 ongeveer 3,60. Voor dezelfde prijs kan nu een geïnte greerd circuit met enkele dozijnen transistoren en andere elementen worden gemaakt. Be microscopische afmetingen van de nieuwe circuits hebben op twee manieren bijgedragen tot een drastische snelheidsvergroting van elektronische apparatuur, met name computers. Be primaire functie van een transistor is het al of niet doorlaten van een elektrische stroom als antwoord op een binnenkomend sig naal. De snelheid waarmee een transistor op het signaal reageert hangt vooral af van zijn afmetin gen. Hoe kleiner de transistor, des te sneller is de reactietijd. Be vroe gere transistoren, aldus Hittinger en Sparks, werden in omvang vaak vergeleken met een erwt om dui delijk te laten uitkomen hoe klein ze wel waren. Maar in feite waren het enorme dingen als men ze meet naar de schaal waarop elektronische gebeurtenissen zich voltrekken. Daarom ook waren deze transisto ren erg langzaam. Zij konden een paar miljoen keer per seconde er gens op reageren. Dit was snel ge noeg voor circuits in radio-ontvan gers en gehoor-apparaten, maar het was veel te traag voor snelle com puters of voor microgolf-telecom- municatiesysternen op aarde en in de ruimte. Het tweede snelheidvergrotende effect van de micro-elektronica is te danken aan de kleinere afstan den tussen de circuit-componenten. De snelheid van een computer of van elk ander elektronisch systeem wordt in uiterste instantie begrensd door de snelheid van het licht (300.000 km per sec.). Een elektri sche stroom in een draad kan zich nooit sneller dan het licht verplaat sen. In 1 nanoseconde (één miljard ste seconde) wordt een afstand van maximaal 30 centimeter afgelegd. Dit betekent dat de interne afstan den in een circuit, dat een paar miljard keer per seconde moet wer ken, niet groter mogen zijn dan en kele millimeters. Dank zij de micro circuits zijn deze ongelofelijke snel heden nu mogelijk. Voor de leek is het vaak nogal raadselachtig wat transistoren, con densatoren, dioden en weerstanden in een elektronische schakeling nu eigenlijk doen. Eenvoudig gezegd komt het er op neer dat zij elk een eigen rol spelen bij het contro leren van een stroom elektronen, zo danig dat het complete circuit een of andere duidelijk omschreven functie vervult. In een radio-ontvan ger bestaat die functie uit het trans formeren van een zwak elektromag netisch signaal met een hoge fre quentie in een vele malen versterkt signaal met een lagere frequentie, dat kan worden gebruikt om een elektromechanisch apparaat als een luidspreker te activeren. In een te levisie-ontvanger zijn veel gecom pliceerder circuits nodig om een elektronisch beeld op te bouwen van een zwak elektromagnetisch sig naal, waarvan de frequentie veel hoger is dan die van gewone radio golven. De elementen van een elektro nisch circuit kunnen worden ver deeld in passieve en actieve ele menten. Passieve elementen zijn bij voorbeeld weerstanden en conden satoren, die de elektronenstroom afremmen of verzamelen. Dioden zijn ook passieve elementen. Zij la ten van een wisselstroom slechts de helft van elke cyclus door en doen dienst als gelijkrichters. Vacuüm- buizen en transistoren zijn echter actieve elementen. Zij kunnen sig nalen opwekken of versterken en op treden als schakelaars voor elek tronenstromen. Zonder deze actie ve elementen zou er geen elektro nica bestaan. Vóór de uitvinding van de transis tor in 1947 beschikte men alleen over de luchtledige elektronenbuis als generator, versterker en scha kelaar. Kort na de tweede wereld oorlog waren deze buizen zo ver volmaakt dat het gewoon ondenk baar leek dat de transistor ze zou gaan verdringen. De eerste transis toren waren maar weinig kleiner dan de kleinste buizen. Zij waren bo vendien veel duurder en het duurde jaren voordat ze hadden bewezen betrouwbaar te zijn en een lange re levensduur te bezitten. Maar één groot voordeel van de transistor sprong al direct in het oog, name lijk het veel lagere energiever bruik. Bovendien was de transistor veel simpeler van constructie dan de vacuümbuis. Dank zij de transis tor konden voortaan alle belangrij ke circuit-functies in vaste stof wor den gerealiseerd. Dit is de reden waarom de transistor zo'n storm achtige carrière van laboratorium naar massaproductie heeft ge maakt. Men zegt wel eens dat er altijd een uitvinding wordt gedaan als men er werkelijk behoefte aan heeft. Daar schuilt wel iets waars in. De transistor bijvoorbeeld heeft de makers van computers uit een impasse gehaald. De eerste elektro nische computer, de ENIAC, ver scheen in 1945. Het was een enorm apparaat, dat een hele zaal vulde, In het binnenste van ENIAC zaten 19.000 vacuümbuizen, een veel gro ter aantal dan ooit in één enkel elektronisch apparaat was inge bouwd. Deze 19.000 buizen waren een voorbode van de naderende „ti rannie van het aantal", die de fa brikanten van complexe elektroni sche apparatuur bedreigde. Niet al leen het bouwen van een functione rend systeem uit zoveel afzonder lijke componenten was een lastig probleem. Erger was nog dat de bedrijfsze kerheid tot een schrikwekkend laag niveau daalde. Aangenomen dat el ke buis in de ENIAC een levens duur had van 10.000 uur dan bete kende dit gemiddeld elk half uur storing door het uitvallen van een buis. Door regelmatig testen en ver vangen van buizen wist men de sto ringskansen wel wat te beperken, maar de geringe bedrijfszekerheid van de eerste buizencomputers bleef een probleem. De transistor heeft met zijn een voud en lange levensduur de be trouwbaarheid van computers en andere elektronische systemen enorm vergroot. Maar de tirannie van het aantal bleef ook in het transistortijdperk heersen. Vooral de fabrikanten van apparatuur voor militair gebruik, zoals lange-afstandsradarinstalla- ties en navigatiesystemen voor atoomonderzeeboten, kwamen voor bijna onoplosbare problemen te staan. Maar ook de computers voor wetenschappelijk en commercieel gebruik en de elektronische scha kelsystemen voor telefooncentrales werden steeds gecompliceerder en vereisten spoedig ettelijke honderd duizenden afzonderlijke componen ten. In het begin van de jaren vijftig slaagde men er in een achttal transistoren, dioden en weerstanden samen te pakken in kleine vier kante blokjes met afmetingen van ongeveer 2,5 centimeter. De ruim tevaart, waarin elk pond gelanceerd gewicht ongeveer 20.000 dollar kostte, dwong de Amerikaanse elek- tronica-fabrikanten nog verder te gaan. De pakkings-dichtheid werd zelfs vergroot tot 400 componenten per kubieke inch. Maar hiermee was het eigenlijke probleem nog steeds niet opgelost. Want de een heden moesten nog altijd uit afzon derlijke componenten worden opge bouwd. In de research-laboratoria van grote Amerikaanse concerns als Bell Telephone, Texas Instruments, RCA, Motorola en Fairchild begon men na 1950 echter steeds duidelij ker te zien in welke richting men verder moest gaan. De hedendaagse micro-elektroni ca met haar geïntegreerde circuits is de gemeenschappelijke top van twee afzonderlijke ontwikkelingslij nen. De eerste omvat de halfgelei der-techniek. die wordt gebruikt voor het maken van transistoren en dioden en de tweede is de zoge naamde dunne-filmtechniek voor de vervaardiging van weerstanden en condensatoren. In de halfgeleider-techniek wordt gebruik gemaakt van silicium-kris- tallen. Silicium is een halfgeleiden- de stof, waarvan de elektrische eigenschappen ongeveer het mid den houden tussen die van meta len en niet-metalen. Deze elektri sche eigenschappen kunnen zeei nauwkeurig worden beïnvloed door kleine verontreinigingen in het ma teriaal té brengen. Verontreinigingen van de elemen ten gallium en borium veroorzaken in het silicium denkbeeldige ga ten", d.w.z. plaatsen waar zich eigenlijk elektronen zouden moeten bevinden. De ..gaten" functioneren als positieve ladingen. Zij „zuigen" elektronen naar zich toe en kunnen op die manier een positieve elek trische stroom opwekken. Een ge bied van het silicium dat „gaten" bevat wordt aangeduid als p-type. Verontreinigingen van andere ele menten, zoals arsenicum en fosfor, creëren 'n het silicium gebieden waarin zich juist een teveel aan elektronen bevindt. Deze gebieden staan gemakkelijk elektronen af, waardoor een negatieve stroom ont staat. Zij zijn van het n-type. De essentie van de halfgeleiderstech niek is nu dat in een stukje silicium aan elkaar grenzende p- en n-type- gebieden worden gevormd. Door verschillende combinaties van p en n kunnen verschillende functies worden verkregen. Een simpele p-n- structuur bijvoorbeeld, kan dienst doen als diode. De grenslaag tus sen de p en n-gebieden in het ontreinigde silicium doet dan dienst als gelijkrichter of als schakelaar. Een transistor bestaat uit twee grenslagen tussen drie gebieden van de combinatie p-n-p of n-p-n. Een van de buitenste gebieden doet dienst als zender en het andere als ontvanger van elektronen. Het mid delste gebied functioneert als een soort grenswacht, die op een signaal de doorgang voor de elektronen kan openen of versperren. Door de zeer nauwkeurige dose ring en plaatsing van verontreini gingen is het in de loop van de ja ren mogelijk geworden transistoren te maken in zeer kleine stukjes si licium. Hiervoor wordt gebruik ge maakt van een diffusie-proces, waarbij de p- en n-gebieden om beurten worden afgeschermd door een oxydelaagje en geëtst met be hulp van maskers. Tegenwoordig is het mogelijk uit een plaatje silicium met een diameter van 2,5 cm en een dikte van 0,15 mm ongeveef 1000 transistoren te maken. In de dunne-filmtechniek, de twee de ontwikkelingslijn van de micro- elektronica, werkt men met uiterst dunne laagjes van geleidende of iso- Deze foto illustreert de elektronica-revolutie van de afgelopen 10 jaar. Volgens de conventionele methode werden transistoren, weerstanden, dioden en condensatoren in circuits gemonteerd op panelen ter grootte van een briefkaart (achtergrond links). Nu worden dezelfde circuits met de functies van 15 transistoren, 13 weer standen en de bijbehorende bedradingen „geïntegreerd" in stukjes silicium van 1,3 x 1,3 mm, waarvan er hier op elke vingertop één is afgebeeld. Een sterke vergroting toont de samenstelling van een circuit (achtergrond rechts). lerende materialen. Vaak zijn deze laagjes niet meer dan een micron (één duizendste millimeter) dik. Uit deze dunne films kunnen zeer goe de weerstanden en 'condensatoren worden gemaakt. Een dunne film weerstand bijvoorbeeld, bestaat uit een onzichtbaar smal kanaaltje van metaal, niet meer dan een paar honderdste millimeter breed, in of op een niet geleidende stof. De leng te is afhankelijk van de gewenste elektrische weerstand. Om een zeer hoge weerstand te verkrijgen kan het kanaaltje in een zig-zagpatroon worden geleid. Om op deze manier een condensator te maken kan men een dunne film van een niet- geleidend materiaal tussen twee films van metaal leggen. De ge wenste capaciteit kan nauwkeurig worden verkregen door het opper vlak en de dikte van de filmlagen iets te vergroten of te verkleinen. De dunne films worden gewoon lijk verkregen door opdamping van geleidend of niet-geleidend mate riaal op een neutrale basisstof of op een andere filmlaag. De bijzon dere betekenis van de dunne-film techniek voor de micro-elektronica is, dat zij zich ideaal leent voor het opdampen van hele circuits van weerstanden en condensatoren in één keer. Ook hierbij wordt gebruik gemaakt van maskers, waarin de lijnen van het circuit zijn uitgesne den. Voor het etsen van micro-circuits in silicium worden maskers gebruikt, die met behulp van een uiterst nauwkeurig procédé op fotografische film worden overgebracht. In 1960 slaagden elektronica-inge nieurs van de Texas Instruments Corporation er voor het eerst in door middel van diffusie alle cir cuit-elementen in één enkel plaatje silicium te maken. Deze elementen werden onderling verbonden door ragdunne draadjes. Korte tijd later maakte Fairchild Semiconductor soortgelijke circuits waarvan de ele menten echter waren verbonden door een opgedampt filmpatroon van aluminium kanaaltjes. De half geleider-techniek en de dunne-film techniek hadden elkaar gevonden en dit betekende het begin van een snelle opmars van geïntegreerde micro-circuits. De geïntegreerde circuits werden het eerst toegepast in de compacte elektronische apparatuur voor de Amerikaanse Minuteman interconti nentale raketten, die tussen 1960 en 1963 in grote aantallen werden ge bouwd. De computers in deze ge leide projectielen moesten aan bij zondere eisen voldoen. Ze moesten zeer klein en snel zijn en hoge ver snellingskrachten kunnen verdra gen. De geïntegreerde circuits ble ken hiervoor in alle opzichten ge schikt te zijn. Proeven toonden bij voorbeeld aan dat de circuits be stand zijn tegen versnellingen van 20.000 G. ongeveer even veel als de versnelling in een golfbal die met kracht wordt weggeslagen. Ook de ontwerpers van commer ciële computers en andere niet-mi- litaire elektronische apparatuur ont dekten spoedig dat de geïntegreerde circuits ongeëvenaarde betrouw baarheid, prestaties en economie beloofden. Inmiddels zijn de eerste computers met dergelijke micro circuits op de markt verschenen. Er worden „monolitische bouwele menten" toegepast die bestaan uit silicium plaatjes met een opper vlak van 1,3 x 1,3 mm, waarin door opdamping en etsing de functies van meer dan een dozijn transis toren, dioden en weerstanden zijn vastgelegd. Het is wel zeker dat computers voor wetenschappelijk zowel als ad ministratief gebruik de komende ja- (Foto Siemens) ren in toenemende mate met ge- integreerde micro-circuits zullen worden uitgerust. Hetzelfde geldt voor de grote schakqlsystemen van automatische telefooncentrales. Het waarom is duidelijk. John Diebold, president en oprichter van het be kende Amerikaanse bedrijfsadvies bureau van dezelfde naam, heeft eerder dit jaar voorspeld dat de mi cro-circuits de kosten van compu ters sterk zullen doen dalen. Een specifiek computer-probleem, waar van de oplossing in 1964 nog 1 dol lar kostte, zal in 1968 ongeveer 35 dollarcent kosten en in 1973 niet meer dan 15 dollarcent. De snelheidsvergroting van com puters met micro-circuits zal nog spectaculairder zijn dan de kosten verlaging. In 1964 had een compu ter 800 nanoseconden (800 miljard ste sec.) nodig voor een optelling, de geheugen-accessen buiten be schouwing gelaten. In 1970 zal een computer voor een optelling nog maar 50 nanoseconden nodig heb ben, aldus het Diebold-rapport. De geheugencyclustijd, d.w.z. de tijd die nodig is voor het lezen en te rugschrijven van informatie in het geheugen, bedroeg in 1964 bij zeer snelle computers 2 microseconden (2 miljoenste sec.). In 1972 zal de cyclustijd dank zij de micro-tech niek nog maar 0,5 microseconde be dragen. De kosten per eenheid van het geheugen, die vorig jaar nog on geveer 1 dollar bedroegen, zullen de komende zeven jaar dalen tot slechts 2 dollarcent per eenheid. De belangrijkste voorspelling van Diebold is dat dank zij de micro circuits het aantal storingen in computers drastisch zal teruglopen. Kort geleden bedroeg de gemiddel de tijd tussen twee storingen nog 300 uur. In 1967 zal dit 1300 uur zijn en in 1973 waarschijnlijk 9.000 uur. De micro-elektronica zal onge twijfeld ook leiden tot steeds klei nere afmetingen van elektronische apparatuur. Deze miniaturisering U niet op alle gebieden gemakkelijk door te voeren. Bij administratieve computersystemen bijvoorbeeld, wordt de omvang van de installa- tie niet in hoofdzaak bepaald door de eigenlijke computer maar door de elektro-mechaniscbe in- en uit- voerapparatuur. Bij andere toepas singen liggen echter wel grote mo gelijkheden in het verschiet. De kleine „hand-computers" die thans in de Gemini-ruimtevaartuigen wor den gebruikt zijn mogelijk de voor lopers van de „huiskamer", en „vestzak computers voor de men sen van de toekomst.

Krantenbank Zeeland

de Stem | 1965 | | pagina 9