Микроэлектроника — это область электроники, занимающаяся созданием узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном исполнении. Электронные часы, калькуляторы и другие малогабаритные устройства всем хорошо известны. Но не все знают, что их микроминиатюрное изготовление стало возможно лишь в начале 1960-х гг., с возникновением микроэлектроники. Бурные темпы ее развития свидетельствуют о новом этапе научно-технической революции.
Чтобы представить себе задачи и возможности микроэлектроники, совершим краткий экскурс в историю электроники.
В начале XX в., после изобретения в 1904 г. англичанином Дж. Флемингом лампового диода, а в 1906 г. американцем Л. Де Форестом трехэлектродной лампы (триода, см. Электронная лампа), ученые начали интенсивно разрабатывать различные электронные устройства (радиоприемники, осциллографы, усилители и др.). Электронную аппаратуру создавали из отдельных готовых элементов — электронных ламп; резисторов, конденсаторов и др., которые соединяли между собой электрическими проводами с помощью пайки или сварки. Производство такой аппаратуры было трудоемким и дорогим, а сами электронные устройства громоздкими, ненадежными и потребляющими много энергии. Одна из задач электроники заключалась в преодолении этих недостатков.
Используя достижения физики твердого тела, американские изобретатели У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин в 1948 г. создали полупроводниковый прибор — транзистор (см. Полупроводники), совершив коренной переворот в электронике. С этого времени электронные устройства стали изготовлять из отдельных модулей. Каждый модуль (объемом 4^-20 см3), собранный из нескольких готовых элементов, выполнял определенную функцию (усиление, переключение, запоминание и т. д.). Из таких модулей собирали сложную электронную аппаратуру, у которой повысилась надежность, значительно уменьшились размеры и потребление энергии. Однако и сама эта аппаратура, и способ ее изготовления вскоре перестали удовлетворять темпам развития науки и техники.
Дальнейший прогресс электроники связан с развитием микроэлектроники, основанной на использовании интегральных схем.
Интегральная схема — это микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. По способу объединения (интеграции) элементов различают полупроводниковые, пленочные и гибридные интегральные схемы (ИС).
Полупроводниковые ИС изготавливают из особо чистых полупроводниковых материалов (кремния, германия), в которых перестраивают структуру кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной системы. Маленькая пластинка из кристаллического материала размером около 1 мм2 превращается в сложнейший электронный прибор, заменяющий радиотехнический блок из 50—100 и более обычных деталей.
Разработаны интегральные схемы, содержащие в одном кристалле сотни и тысячи элементов, — так называемые большие интегральные схемы. (БИС).
Пленочные интегральные схемы делают путем осаждения различных материалов в виде тонких пленок на нагретую до определенной температуры полированную подложку (обычно из керамики). В качестве материалов применяют алюминий, титан, титанат бария, оксид олова и др. Для получения интегральных схем с определенными функциями создаются тонкопленочные многослойные структуры осаждением на подложку через различные трафареты (шаблоны) материалов с необходимыми свойствами. В таких структурах один из слоев содержит микрорезисторы, другой — микроконденсаторы, несколько следующих — проводники тока и другие элементы. Все элементы в слоях имеют между собой связи, характерные для конкретных радиотехнических устройств.
Пленочные и полупроводниковые элементы используются в гибридных интегральных схемах, дополняя друг друга в радиоэлектронных комплексах.
Проблемами конструирования, изготовления и применения интегральных Схем занимается особая область электроники — интегральная электроника. Все процессы их изготовления, требующие высококачественных материалов и точного оборудования, полностью автоматизированы.
Интегральные схемы широко используются в электронных вычислительных машинах, контрольно-измерительной аппаратуре, аппаратуре связи, бытовых радиоэлектронных приборах.
Новые возможности в решении микроэлектроникой проблем автоматического управления технологическими процессами, переработки информации, совершенствования вычислительной техники открылись в связи с разработкой и применением микропроцессоров. Микропроцессор, изготовленный на одном кристалле или нескольких БИС, содержит все основные устройства ЭВМ. Микропроцессоры послужили основой для создания различных ЭВМ бытового и производственного назначения — от персональных ЭВМ до суперкомпьютеров.
Созданы гибридные ИС, содержащие на одном кристалле логические и мощные высоковольтные элементы, которые находят применение, в частности, в регуляторах электрических двигателей. Проводятся работы по созданию технологии изготовления объемных ИС. Ученые ищут замену транзистору, предполагая создать квантовые приборы с еще меньшими размерами.
Для того чтобы оценить возможности электроники, давайте сравним ЭВМ с человеческим мозгом. Человеческий мозг содержит около 109 нейронов. Сигналы между нейронами передаются посредством самого малого элемента — синапса, размеры которого не превышают 0,5 мкм в диаметре. Элементы микротранзисторов БИС имеют длину 0,1 мкм, толщину 5 нм. Плотность монтажа БИС столь велика, что превосходит плотность размещения нервных клеток в мозге человека. Нервной клетке требуется около 10 мс для передачи информации другим клеткам, а переключающие схемы БИС могут срабатывать за 0,01 не. Тем самым по быстродействию ЭВМ имеют преимущество. Однако между нейронами существует разветвленная связь, что позволяет мозгу человека параллельно обрабатывать информацию. Мозг выполняет миллионы операций одновременно, а ЭВМ одно или несколько вычислений в каждый момент времени. В этом отношении ЭВМ значительно уступают возможностям человеческого мозга. Однако, в 80-х гг. начались широкие исследования по разработке ЭВМ с «искусственным интеллектом» на основе двухстороннего взаимодействия «человек — ЭВМ». Такая постановка проблемы стала возможна благодаря уникальным достижениям микроэлектроники.