Микроэлектроника представляет собой ключевой раздел электроники, который специализируется на разработке и производстве сверхкомпактных электронных компонентов, блоков и целых устройств. Благодаря ей стали возможны такие привычные нам гаджеты, как электронные часы и карманные калькуляторы. Однако мало кто задумывается, что сама возможность такой миниатюризации появилась лишь в 1960-х годах, с зарождением микроэлектроники. Её стремительное развитие стало одним из ярчайших проявлений научно-технической революции XX века.
Исторический путь: от ламп к модулям
Чтобы понять масштаб задач и достижений микроэлектроники, полезно оглянуться на историю. В начале прошлого столетия, после изобретения вакуумного диода Джоном Флемингом (1904 г.) и триода Ли де Форестом (1906 г., см. Электронная лампа), началась активная разработка разнообразной электронной аппаратуры. Первые устройства собирались из отдельных, готовых компонентов — ламп, резисторов, конденсаторов, которые соединялись проводами вручную. Такая техника была громоздкой, энергоёмкой, ненадёжной и дорогой в производстве, что и стало главным вызовом для инженеров того времени.
Прорыв произошёл в 1948 году, когда американские учёные Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин создали транзистор (см. Полупроводники). Это изобретение кардинально изменило электронику. Аппаратуру стали собирать из готовых функциональных модулей (объёмом 4-20 см³), каждый из которых выполнял определённую задачу — усиление, переключение или запоминание сигнала. Это повысило надежность, снизило габариты и энергопотребление. Однако растущие потребности науки и техники вскоре потребовали нового, более радикального подхода.
Революция интегральных схем
Следующий качественный скачок связан с появлением микроэлектроники, основанной на интегральных схемах (ИС). Интегральная схема — это микроминиатюрное устройство, все элементы которого неразрывно связаны конструктивно и электрически. В зависимости от технологии изготовления различают три основных типа ИС:
- Полупроводниковые ИС: Создаются на кристаллах сверхчистого кремния или германия. Путем сложных технологических процессов в структуре кристалла формируются области, выполняющие функции транзисторов, резисторов и других элементов. Крошечная пластинка площадью около 1 мм² может заменить целый блок из сотен обычных деталей. Развитием этой технологии стали большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи и десятки тысяч элементов на одном кристалле.
- Плёночные ИС: Изготавливаются методом послойного напыления тонких плёнок различных материалов (алюминия, оксидов металлов) через трафареты на керамическую подложку. Разные слои формируют резисторы, конденсаторы и проводники, создавая готовую функциональную структуру.
- Гибридные ИС: Комбинируют в себе плёночные и полупроводниковые элементы, что позволяет оптимально использовать преимущества обеих технологий в сложных устройствах.
Конструированием, производством и применением интегральных схем занимается отдельная дисциплина — интегральная электроника. Все процессы изготовления ИС полностью автоматизированы и требуют высочайшей точности и чистоты материалов.
Применение и будущее микроэлектроники
Интегральные схемы стали сердцем современной техники. Они используются в машинах — от бытовых приборов и средств связи до суперкомпьютеров и космических аппаратов. Особую роль сыграло создание микропроцессоров — устройств, которые на одном или нескольких кристаллах БИС содержат все основные узлы компьютера. Это дало толчок к массовому распространению вычислительной техники.
Современные разработки в микроэлектронике поражают воображение. Уже созданы гибкие и объёмные ИС, ведутся поиски замены транзистору на принципиально новых физических принципах, например, в квантовых приборах. Интересно сравнить возможности электронных систем с человеческим мозгом. Хотя отдельные элементы БИС (размером до 0.1 мкм) меньше синапсов мозга и работают в тысячи раз быстрее, мозг по-прежнему остаётся непревзойдённым в параллельной обработке информации. Именно это ограничение классических компьютеров стимулирует исследования в области систем с «искусственным интеллектом», основанных на тесном взаимодействии человека и машины. И такие амбициозные проекты стали возможны исключительно благодаря феноменальным успехам микроэлектроники, которая продолжает определять лицо технологического прогресса.