Микроэлектроника — это область электроники, занимающаяся созданием узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном выполнении. Электронные часы, калькуляторы и другие малогабаритные устройства всем отлично известны. Но не все знают, что их микроминиатюрное изготовление стало допустимо только в начале 1960-х гг., с происхождением микроэлектроники. Бурные темпы ее развития говорят о новом этапе научно-технической революции.
Дабы представить себе возможности и задачи микроэлектроники, совершим краткий экскурс в историю электроники.
В начале XX в., по окончании изобретения в 1904 г. британцем Дж. Флемингом лампового диода, а в 1906 г. американцем Л. Де Форестом трехэлектродной лампы (триода, см. Электронная лампа), ученые начали интенсивно разрабатывать разные электронные устройства (радиоприемники, осциллографы, усилители и др.). Электронную аппаратуру создавали из отдельных готовых элементов — электронных ламп, резисторов, конденсаторов и др., каковые соединяли между собой электрическими проводами посредством пайки либо сварки. Производство таковой аппаратуры было трудоемким и дорогим, а сами электронные устройства громоздкими, ненадежными и потребляющими довольно много энергии. Одна из задач электроники заключалась в преодолении этих недочётов.
Применяя успехи физики жёсткого 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. Любой модуль (количеством 4?20 см3), собранный из нескольких готовых элементов, делал определенную функцию (усиление, переключение, запоминание и т. д.). Из таких модулей собирали сложную электронную аппаратуру, у которой повысилась надежность, существенно уменьшились потребление и размеры энергии. Но и сама эта аппаратура, и метод ее изготовления скоро прекратили удовлетворять темпам развития науки и техники.
Предстоящий прогресс электроники связан с развитием микроэлектроники, основанной на применении интегральных схем.
Интегральная схема — это микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. По методу объединения (интеграции) элементов различают полупроводниковые, пленочные и гибридные интегральные схемы (ИС).
Полупроводниковые ИС изготавливают из очень чистых полупроводниковых материалов (кремния, германия), в которых перестраивают структуру кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной совокупности. Маленькая пластинка из кристаллического материала размером около 1 мм2 преобразовывается в сложнейший электронный прибор, заменяющий радиотехнический блок из 50—100 и более простых подробностей.
Созданы интегральные схемы, которые содержат в одном кристалле тысячи и сотни элементов, — так именуемые громадные интегральные схемы. (БИС).
Пленочные интегральные схемы делают методом осаждения разных материалов в виде узких пленок на нагретую до определенной температуры полированную подложку (в большинстве случаев из керамики). В качестве материалов используют алюминий, титан, титанат бария, оксид олова и др. Для получения интегральных схем с определенными функциями создаются тонкопленочные многослойные структуры осаждением на подложку через разные трафареты (шаблоны) материалов с нужными особенностями. В таких структурах один из слоев содержит микрорезисторы, второй — микроконденсаторы, пара следующих — другие элементы и проводники тока. Все элементы в слоях имеют между собой связи, характерные для конкретных радиотехнических устройств.
Пленочные и полупроводниковые элементы употребляются в гибридных интегральных схемах, дополняя друг друга в радиоэлектронных комплексах.
Проблемами конструирования, применения и изготовления интегральных схем занимается особенная область электроники — интегральная электроника. Все процессы их изготовления, требующие отличных точного оборудования и материалов, абсолютно автоматизированы.
Интегральные схемы активно применяются в электронных счётных автомобилях, контрольно-измерительной аппаратуре, аппаратуре связи, бытовых радиоэлектронных устройствах.
Новые возможности в ответе микроэлектроникой неприятностей автоматического управления технологическими процессами, переработки информации, совершенствования вычислительной техники открылись в связи с применением и разработкой процессоров. Процессор, изготовленный на одном кристалле либо нескольких БИС, содержит все главные устройства ЭВМ. Процессоры послужили базой для разных ЭВМ бытового и производственного назначения — от персональных ЭВМ до суперкомпьютеров.
Созданы гибридные ИС, которые содержат на одном кристалле логические и замечательные высоковольтные элементы, каковые применяются, например, в регуляторах электрических двигателей. Проводятся работы по созданию разработки изготовления объемных ИС. Ученые ищут замену транзистору, предполагая создать квантовые устройства с еще меньшими размерами.
Чтобы оценить возможности электроники, давайте сравним ЭВМ с людской мозгом. Человеческий мозг содержит около 109 нейронов. Сигналы между нейронами передаются при помощи 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 громадна, что превосходит плотность размещения нервных клеток в мозге человека. Нервной клетке требуется около 10 мс для передачи информации вторым клеткам, а переключающие схемы БИС смогут срабатывать за 0,01 не. Тем самым по быстродействию ЭВМ имеют преимущество. Но между нейронами существует разветвленная сообщение, что разрешает мозгу человека параллельно обрабатывать данные. Мозг делает миллионы операций в один момент, а ЭВМ одно либо пара вычислений в любой момент времени. В этом отношении ЭВМ существенно уступают возможностям людской мозга. Но, в 80-х гг. начались широкие изучения по разработке ЭВМ с «ИИ» на базе двухстороннего сотрудничества «человек — ЭВМ». Такая постановка неприятности стала вероятна благодаря неповторимым достижениям микроэлектроники.