Этот прибор также сделан с использованием пленочной технологии

Этот прибор также сделан с использованием пленочной технологии — здесь, как и в предыдущих случаях, без помощи химиков не обойтись. Слой полупроводника и металлические контакты 2, подводящие к нему ток, выполнены в виде пленок, напыленных на диэлектрическую подложку 3. Управляющее напряжение подается на электрод 4, отделенный от полупроводника вакуумным зазором. От простой замены твердого диэлектрика на вакуум выигрыш был бы невелик и он явно не окупал бы сложностей изготовления. Заметим, что электроды расположены на двух подложках (вариант с одной подложкой, вроде показанного на рис. 2, не осуществлен), а это усложняет технологию. Чтобы прибор, при сборке которого зазор, ничтожный по размеру (10—20 мкм), приходится устанавливать с соответствующей точностью, стал жизнеспособным, нужны дополнительные преимущества в борьбе за существование. Когтей нет, зубов нет, может быть, стойкость к нагреву? Для этого прежде всего требуется высокотемпературный полупроводник. Между прочим, такие в электронных лампах используются. Это — окислы щелочноземельных элементов. Катод покрывают порошком окисла. При высокой температуре вещество испаряется неоднородно, обогащается металлом (донорная примесь) и становится полупроводником.

Снова возникает непреодолимое, казалось бы, противоречие. Вот оно. Катодное покрытие должно иметь сравнительно высокую проводимость, иначе при прохождении сквозь него тока возникнет недопустимо большое падение напряжения. Но при высокой проводимости поле вроде бы не должно на нее влиять просто потому, что чем она выше, тем на меньшую глубину поле проникает в материал. И прибор работать не должен. Однако эти приборы работают, вот в чем штука. Возможно, поле влияет не на собственно полупроводник, а на электронное облако, прости-рающеес я на крошечное — в несколько микрометров — расстояние от его поверхности. Дело в том. что катодный материал теряет малую долю своего кислорода, причем понижается работа выхода. Его назначение — эмиттировать электроны. Он это и делает.

«КЕНТАВР», УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЛЕМ

Впрочем, уникальные, как писали поначалу, особенности этого прибора все-таки по-своему в большой мере уникальны. Такое сочетание понятий учит не совсем грамотно, это, конечно, жаргон. Означает же такое выражение, что можно, конечно, и без «твердотельных ламп», просто с помощью двух напряжений управлять последовательностью включения диодов. Но столь же просто и изящно, как в приборе с бомбардировкой полупроводника электронным лучом (так называют эти приборы в отечественной литературе), дело не получится. Заметьте, что диоды составляют в этом «кентавре» матрицу, а подавая напряжения на отклоняющие пластины — вертикальную и горизонтальную,— мы реализуем так называемую двумерную адресацию. Такой прибор — дар божий для задач, связанных с обработкой информации, на его основе можно сделать и анализатор формы сигнала, и аналого-цифровой преобразователь, и многое другое…

Основа «твердотельной лампы» — изменение проводимости полупроводника под действием приходящего из вакуума электронного тока. Обычная электронная лампа управляется электрическим полем (напряжением на сетке).

В новом же приборе поле используется для управления электронным пучком, который в свою очередь воздействует на полупроводниковую мишень. А нельзя ли воздействовать на полупроводник непосредственно полем? Можно.

Это принцип действия так называемого полевого транзистора — прибора, в котором напряжение, поданное на управляющий электрод, отделенный от полупроводника слоем диэлектрика, влияет на проводимость этого полупроводника. Если в качестве диэлектрика использовать вакуум, то мы получим изобретенный в 1975 г. третий тип при-бора-«кентавра» (рис. 5).

«ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАМПЫ»

Представим себе электронную лампу (рис. 4), у которой анодом служит пластина 8 из кремния, припаянная к металлической пластине — контакту 9. Второй контакт — напыленная на пластину со стороны вакуума тонкая (0,1 мкм) алюминиевая пленка. Электрон, эмиттированный катодом J и ус-коречный в зазоре между катодом и анодом, попадает на анод-пластину и начинает двигаться в ней, отрывая другие электроны от атомов кремния и расходуя на это свою энергию. Если исходный электрон ускорен высоким напряжением, например 15 кВ, то, потеряв при прохождении алюминиевой пленки 2 кэВ (в других металлах потери больше), он сохранит целых 13 и сможет образовать свыше 1000 электронно-дырочных пар. Управлять электронным пучком 5 можно с помощью как сетки 2 — увеличивая или уменьшая ток, так и пластин горизонтального (4) и вертикального (3) отклонения, переводя, как в кинескопе, электронный пучок с одной точки пластины на другую. На ней же может быть сформировано несколько десятков отдельных полупроводниковых приборов.

Вся конструкция — за границей ее называют «твердотельной лампой»— помещена в колбу 6, в которой создан вакуум.

Коэффициент усиления у такого прибора больше, чем у ламп и транзисторов, поскольку каждый электрон пучка образует тысячи электронов проводимости в полупроводнике.

Прибор способен работать на высоких частотах — это его выгодно отличает от обычного транзистора; у него нет базовой области, в которой электроны дрейфуют с малой скоростью.

Первые такие приборы были выпущены в 1973 году, и в 1975-м о них писали еще расплывчато — они, мол, «значительно превосходят полупроводниковые приборы и вакуумные лампы». К 1981 году, однако, стало ясно, что эти приборы применимы прежде всего в области частот около 1000 мГц, в диапазоне, промежуточном между транзисторами и СВЧ-лампами. Стали скромнее и оценки параметров; выяснилось, что преимущества перед транзисторами не абсолютные, а в основном технико-эко-номические: полупроводниковый усилитель с теми же параметрами содержит 10—20 транзисторов, а потому менее надежен, хотя стоит дороже.

В специальном выпуске журнала

В специальном выпуске журнала «IEEE Transactions of Industrial Electronics» (1982, № 2), посвященном высокотемпературной электронике, восемь статей о привычных полупроводниковых приборах, но две — о ВИС. Кажется, лед тронулся… Следует отметить еще один существенный пункт. ВИС выдерживают радиацию, на много порядков большую, чем полупроводниковые приборы, а что касается размеров, то ВИС может содержать до трех тысяч ламп на квадратном сантиметре. Уже созданы образцы, нарабатывающие тысячи часов при 500 °С. Так что самые ценные свойства и ламп, и транзисторов «кентаврами» вроде бы не потеряны.

Параметры электронных приборов, как и все в этом мире, ограничены. Ограничены как возможностями технологии изготовления, так и уровнем понимания их работы. Технология часто ограничивает возможные сочетания параметров. Легкий, но маломощный или легкий и мощный, но безумно дорогой… В транзисторе есть так называемая база — область с малым полем, а значит, с малой скоростью и большим временем дрейфа носителей (электронов или «дырок»). Следствием этого оказывается низкая граничная частота прибора, при более высоких он «не успевает». Конечно, эту самую базу можно сделать потоньше, но тогда уменьшатся рабочее напряжение и мощность: облегчится пробой. Хорошо бы вообще избавиться от области база-эмиттер и ввод

СЛОЕНОЙ СТЕНКОЙ

С 1969 г. за транзисторами по тому же технологическому пути двинулись лампы. И вот здесь, при попытках применить в производстве электронных ламп технологические приемы, созданные в полупроводниковой технике, были изобретены приборы нового класса. Они, подобно мифическим кентаврам, сочетали принцип действия и термостойкость ламп с технологией изготовления и габаритами транзисторов.

В технике — по крайней мере для стороннего наблюдателя — драматические события нечасты. Редко бывает, чтобы новый прибор вытеснил старый полностью. Идет длительная борьба за области применения. Из одних старое вытесняется новым, в других остается неуязвимым; наконец, под давлением нового старое начинает ускоренно эволюционировать, само кого-то вытесняет или «распахивает целину»… Если мобильность производства высока, возможны и колебания. Так, западная электроника сейчас совершает в какой-то степени поворот от полупроводниковой техники к вакуумной, ламповой. Самое же интересное происходит, когда возникают жизнеспособные гибриды. А возникают они, например, так.
На нее напыляется слой (пленка) металла 2, затем слой диэлектрика 3, затем второй слой металла 4 и второй слой диэлектрика 5. Потом в трех верхних слоях этой конструкции вытравливается круглая дырочка 6, вплоть до первого металлического слоя. Получается колодец с металлическим дном и диэлектрическими стенками. В одном месте эту стенку пересекает по окружности металлический поясок — край второй металлической пленки. Потом на всю систему в вакууме напыляется сверху более толстая третья металлическая пленка 7 — крышка колодца. Внутренний объем этого колодца, в котором создан вакуум, и есть электронная лампа. Катод ее — нижняя пленка, сетка — края средней, анод — верхняя.

Конечно, это не единственный вариант. Например, катод, сетка и анод могут быть расположены в одной плоскости (рис. 2). Электроны, эмиттирован-ные катодом 1, идут на анод 3 мимо сетки 2 по криво, [инейным траекториям. В варианте, показанном на рис. 3 (катод — 1, сетка — 2, анод — 3), электроды расположены на двух подложках. При взгляде на приведенные варианты «пленочных ламп» видно невооруженным глазом, как они удобны для реализации сериями на одной подложке. Если же на ней выполнены и пассивные элементы схемы (резисторы, конденсаторы), и соединительные проводники, то получается целая схема. Это и есть вакуумная интегральная схема (ВИС), прототип которой создан в 1969 году.

РАСПОРЯДОК ДЕЙСТВИЙ

Известный английский физик Сесил Фрэнк Пауэлл любил рассказывать притчу о Бенджамине Франклине (это нашло отражение в литературе). Некая •женщина спросила Франклина о возможностях применения одного из его открытий в области электричества, на что Франклин ответил: «Мадам, а какое применение новорожденному?»…

В наши дни проблема «применения новорожденному» куда актуальнее, чем во времена Франклина. Не случайно ускорению научно-технического прогресса, введению новейших достижений науки в практику были посвящены июньское совещание в ЦК КПСС и Общее собрание Академии наук СССР в марте этого года.

Разумеется, механизм внедрения, использованный сотрудниками небольшой лаборатории сравнительно небольшого института республиканской академии, не единственно возможный. Но о нем стоит рассказать, поскольку конечный результат оказался весьма весомым. Весомым в прямом смысле этого слова — страна получила тонны уникального по свойствам металла. Силами одной-единственной академической лаборатории с штатом в 15 человек сделать это практически невозможно. Круг специалистов, занятых проблемами необычного металла, закономерно и, я бы сказал, рационально разрастался по мере того, как накапливалась научная информация об особо чистом алю минии.

Сегодня у лаборатории металлов высокой чистоты и прецизионных сплавов четыре «дочерние фирмы». Это созданная два года назад в том же институте лаборатория коррозионностойких материалов во главе с кандидатом технически* наук И. Н. Ганиевым. Это две лаборатории-филиала в СКТБ АН Таджикской ССР, размещенных непосредственно в Кондаре. Экспериментально-производственные лаборатории! И наконец, методами анализа особо чистого металла и собственно анализом активно занимаются на кафедре аналитической химии Таджикского государственного университета имени В. И. Ленина.

А еще оказалось,

А еще оказалось, что при низких температурах (не сверхнизких — «гелиевых», а более приемлемых «водородных», примерно 20К) четырехдевяточный алюминий становится гиперпроводником — электропроводность его увеличивается во много тысяч раз. Это не сверхпроводимость, когда электрическое сопротивление вдруг падает до нуля, но по сравнению с обычным металлом оно. многократно уменьшается. Причины этого явления еще предстоит изучить, а использовать его в деле уже пробуют… Еще важно, что в условиях столь низких температур четырехдевяточный алюминий не становится хрупким.

А еще этим алюминием заинтересовались, как ни странно, стоматологи. Действительно, хороший материал для коронок и литых зубов. Химически пассивен, не создает гальванических явлений во рту, хотя, как известно, слюна — и электролит, и среда достаточно агрессивная…

А еще из особо чистого алюминия сплавы, получаются тоже особые. Ввели в него микропримесь стронция — твердость такую получили, что резцы на то-карлых станках «лететь» начали. И это алюминий, обычно такой мягкий, податливый…

Чистота преобразует металл. И преображает.

Особой чистоты

Дорога идет вверх. Вдоль нее навстречу нашей машине катит волны довольно бурный в это время года Вар-зоб. Проскочили санаторий текстильщиков, несколько пионерлагерей. Курортная зона. Чистый горный воздух…

Здесь в маленьком селении Кондара построено единственное в своем роде производство. Максимум полсотни жителей в Кондаре. Столько же работает, приезжая из Душанбе. А делают здесь алюминий — самый распространенный на земле металл. Но здесь и только здесь пока выпускают алюминий марки ОСЧ-18-4. Цифры означают: это металл чистотой четыре девятки после запятой (99,9999 % А1), контроль примесей — по 18 компонентам. Чистый горный воздух — условие, крайне желательное для такого производства.

И воздух оно, кстати, не загрязняет. Но об этом чуть позже.

ЧИСТОТА ПРЕОБРАЗУЮЩАЯ

На столе доктора технических наук профессора А. В. Вахобова килограммовый слиток. Этот алюминий отлит больше пяти лет назад. Тем не менее он не тускнеет. Оксидная пленка, конечно, есть, но очень тонкая и равномерная. Оттого белый серебристый металл (как часто характеризуют алюминий) выглядит действительно белым и серебристым.

Лаборатория металлов высокой чистоты и прецизионных сплавов была организована в Институте химии имени В. И. Никитина Акад( мии наук Таджикской ССР в 1968 г. Сначала исследовали щелочноземельные металлы — кальций, барий, стронций. И сплавы на их основе. Интерес к алюминию возник позже, когда был построен Таджикский алюминиевый завод — один из ведущих заводов отрасли — и когда у электроники появилась практическая потребность в алюминии особой чистоты.

Известно: чистота преобразует металлы. Титан, к примеру, пока его не очистили как следует, был для техники мало привлекателен. У алюминия судьба иная: сегодня он самый массовый, самый важный * всех цве гных металлов. Но и его преображает чистота. Больше всего глубокая очистка сказывается на таких его свойствах, как электропроводность, пластичность, химическая стойкость. С каждой последующей девяткой на порядок растет устойчивость алюминия к коррозии. Одновременно улучшается отражательная способность, металл все лучше проводит электрический ток и тепло.

Два слова о главном, что уже сделал особо чистый таджикский алюминий. Выступая в роли проводника, он помог многократно увеличить плотность интегральных схем — важнейших составляющих микроэлектроники.

Было известно

Было известно, что соединения ряда нафтохинона-1,4 обладают противомалярийной активностью, причем эта активность коррелирует со склонностью веществ переходить в липидную фазу, то есть со способностью накапливаться в клеточных мембранах. Для ряда таких веществ были определены коэффициенты распределения в системе н-окта-нол — вода, причем удалось заметить, что максимальной активностью обладают вещества с коэффициентами распределения, находящимися близ определенной точки в двумерном пространстве, дескриптор — биологическая активность, лежащей в вершине параболы, описываемой уравнением КССА. В результате удалось предсказать высокую противомалярийную активность новых производных нафтохинона, которые были синтезированы и действительно продемонстрировали хороший лечебный эффект.

Кроме того, удалось установить, что биологическая активность нафтохинонов коррелирует с еще одним физико-химическим параметром — их способностью участвовать в окислительновосстановительных реакциях, сопровождающихся приобретением молекулой лишнего электрона. Меру этой способности можно оценить путем квантово-химических расчетов; используя эти результаты в качестве дополнительных дескрипторов, тоже удалось получить новые противомалярийные препараты.

У метода КССА, как и у всякого другого метода, есть свои ограничения. Дело в том, что каждый организм представляет собой столь сложную систему, что его функции могут испытывать значительные отклонения от так называемой «нормы»; в связи с этим даже вошел в обиход термин «биохимическая
индивидуальность». Если не учитывать статистического разброса свойств организмов, входящих в одну популяцию (это может быть не только популяция людей, но и популяция микроорганизмов или экспериментальных животных), то в самом начале в модель биологической активности может вкрасться грубая ошибка, которая обесценит всю последующую работу.

И вообще, следует помни гь, что метод КССА в основе своей все-таки статистический. Это значит, что’ даже если все дескрипторы выбраны удачно, то все же существует не равная нулю вероятность того, что.успех придет не сразу.

Но, как говорится, на ошибках учатся.

Когда дескрипторы выбраны

Когда дескрипторы выбраны, полученное множество точек в многомерном пространстве упорядочивается с помощью математической операции, называемой регрессионным анализом: задача заключается в том, чтобы найти гладкую многомерную поверхность, проходящую максимально близко от всех экспериментальных точек. После этого можно утверждать, что любая точка, лежащая близ поверхности, характеризующей множество биологически активных веществ, тоже принадлежит этому множеству и поэтому соответствует веществу, обладающему сходной биологической активностью. Более того, перемещаясь вдоль этой поверхности в разных направлениях, можно находить значения дескрипторов (то есть физико-хими- -ческих характеристик) еще не синтезированных веществ, при которых может быть достигнут максимальный биологический эффект. А поскольку связь между строением вещества и его конкретными физико-химическими свойствами (например, плотностью) довольно однозначна, метод КССА и позволяет бы«т ро
находить новые вещества, с большой степенью вероятности обладающие наперед заданной биологической активностью.

Метод КССА уже успешно применяется для поиска лекарств. С его помощью были созданы новые антибактериальные препараты ряда сульфаниламина; тио-барбитураты, обладающие снотворным действием; пропиниламины, обладающие психотропной активностью; противоопухолевые антибиотики ряда митомицина.

О том, как конкретно используется метод КССА, расскажем на примере поиска новых противомалярийных вещее тв, в ходе которого использовались как эмпирические, так и квантовохимические дескрипторы..