Без чего не работают смартфоны и ноутбуки, какое будущее у микросхемотехники и чем опасно производство микросхем

Зачем нужны микросхемы? Чем важен кремний для электроники? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Микросхема, или чипы, — электронное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию, выраженную в единицах и нулях. Чипы работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входящим электротоком. Главный элемент транзистора — p-n-переход (от англ. positive — положительный и negative — отрицательный): в нем соприкасаются полупроводники с противоположными типами проводимости.

В одной микросхеме умещается до миллиарда транзисторов, и это дает большие вычислительные мощности. На базе микросхем созданы современные компьютеры и умная электроника.

Принцип работы и устройство микросхемы

Основа смартфонов и ноутбуков — это монокристаллический кремний. На нем инженеры формируют микросхемы из электронных компонентов: резисторов, транзисторов и конденсаторов.

Регистры настраиваются под каждую логическую функцию, а после объединяются в единую схему — процессор или микроконтроллер. Они выполняют вычислительное действие. В современных микросхемах на один кристалл кремния миллиарды транзисторов, поэтому настраивает и размещает их компьютер, а не человек. 

Производство микросхем

Кристаллы для микросхем выращивают по методу Чохральского: в расплав кремния помещается небольшой кусочек кремния, затем его медленно вращают, и он начинает вытягиваться и застывать. В итоге получается цилиндр монокристаллического кремния, его нарезают на несколько пластин. В кремний добавляют атомы различных элементов (мышьяк, фосфор, бор), формируя базовый элемент транзистора — p-n-переход. Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.

После этого в корпусе DIP (dual-in-line-package — прямоугольный корпус с двумя рядами контактов по бокам) кристалл соединяют с входами и выходами микросхемы. Как только кристалл распаян, то есть на нем появились контактные площадки, к ним приваривается проволочка и соединяется с ножками DIP. Затем микросхему помещают в корпус из эпоксида или пластика. При этом кристалл стоит поместить на медную или золотую подложку для отвода тепла: через микросхему в секунду проходит большой объем энергии, и нужна система охлаждения.

Микросхемы в основном делают на монокристаллах кремния, сырья для которого на планете очень много. Но есть и альтернативные материалы: сапфир, углерод, арсенид галлия, германий. Микросхемы на монокристалле сапфира отличаются тем, что их можно использовать в силовой электронике, когда в ход идут большие токи. Из-за этого их часто применяют в оборонных технологиях.

В качестве одной из альтернатив кремнию рассматривается углерод. У него есть три фазы: полупроводниковый карбин, проводящий графит и диэлектрик — алмаз, который можно использовать как полупроводник. Микросхемы на основе углерода позволят работать в широком температурном диапазоне. В устройствах на углеродных нанотрубках отсутствует p-n-переход, а его повреждение — частая причина поломки микросхемы.

Отдельный интерес представляют гибридные интегральные схемы — электронный компонент с элементом в виде сверхпроводника. Сверхпроводник позволяет избавиться от омических потерь — перехода энергии тока в тепловую энергию — и увеличить энергоэффективность. Благодаря этому тратится меньше энергии на единицу обработанной информации. На сверхпроводниках основан SQUID (Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерферометр) — магнитометр, который может измерять слабые магнитные поля.

Производство микросхем требует особых норм безопасности, соблюдение которых чрезвычайно важно. Для обработки кремния используется плавиковая кислота — она обжигает нервные окончания и растворяет кости. При фотолитографии используются канцерогенные растворители и добавки — они раздражают слизистую оболочку и кожу. 

Когда микросхемы утилизируют, из них необходимо выделить драгоценные металлы — в основном золото, но также серебро или платину и так далее. Этот процесс также требует соблюдения норм экологической безопасности.

Параметры микросхемы

Главная задача микросхемы — быстрая и правильная обработка информации. Это зависит от нескольких параметров. 

Один из них — это тактовая частота работы. Внутри чипа один транзистор может отличаться от другого, поэтому их нужно синхронизировать. Для этого используется кварц в качестве генератора частоты. Относительно него вся информация передается с заданной частотой такта. Чем чаще частота, тем больше передается информации. Быстродействие всей системы определяет и резистивная емкостная нагрузка элемента — это не только число транзисторов, но и проводимость их каналов.

Применение микросхем

Микросхемы выполняют вычислительные функции. Они интерпретируют и обрабатывают информацию, которая сводится к единицам и нулям и выражается булевой алгеброй. Из микросхем создаются разные устройства — от датчиков движения до средств машинного зрения и умных пылесосов. 

До массового распространения микросхем распылители жидкости или газа в автомобиле были механическими. Форсунка настраивалась так, чтобы бензин впрыскивался в определенный промежуток времени. Сейчас инжекторы снабжены микроконтроллером, который управляет топливными клапанами — регулирует расход горючего.
Микросхемы используют в датчиках влажности воздуха на основе оксида олова. Например, конденсатор, в котором в качестве диэлектрика используется пористый оксид олова, меняет свою емкость, если в него попадает вода. Рядом с конденсатором присутствует интегральная схема, которая анализирует емкость и определяет значение влажности.

Поломки микросхем

Наиболее уязвимая часть микросхемы — это p-n-переход, основная часть транзистора. Между p- и n-областями образуется переходный слой, в котором нет свободных носителей заряда. Если в эту решетку попадает высокоэнергетическая частица — квант от солнца или иной звезды, — то она вносит носителей заряда, и появляется дополнительный ток носителей заряда. В итоге это может нарушить работу логической цепи или разрушить ее.

Из-за этой особенности для военных нужд долгое время использовали вычислительные машины на вакуумных лампах. Транзисторный приемник выйдет из строя при ядерном взрыве от высокоэнергетичных квантов, даже если устройство находилось далеко от эпицентра, а приемник на лампах продолжит работать.

P-n-переход в микросхемах может разрушаться и по естественным причинам. Когда чип работает, выделяется тепло, причем в больших количествах. Ускоряется диффузия (взаимопроникновение атомов веществ) элементов металлических соединений и примеси, с помощью которой по отдельности формировались p- и n-переходы. В итоге p-n-переход исчезает. 

Будущее микросхем

Главный вопрос будущего микросхем — что будет, когда перестанет работать закон Мура. Основатель Intel Гордон Мур вычислил, что количество транзисторов на монокристалле удваивается каждые 24 месяца. Это происходит благодаря уменьшению самих транзисторов, однако у этого процесса есть предел, который рано или поздно наступит. 

В производстве центральных процессоров есть ограничения. Согласно закону Джина Амдала, общая вычислительная мощность растет, если распределять задачи между ядрами процессора. Практическое применение закона — создание многоядерных процессоров — позволило совершить рывок в микроэлектронике 10 лет назад, когда Intel представила двухъядерный процессор Core Duo. Но этот же закон вводит ограничения на рост производительности от распределения по ядрам.

Дата-центрам, серверам, суперкомпьютерам требуется много энергии на единицу переработанной информации, поэтому сокращение энергозатрат, в том числе и на охлаждение, — задача будущего микросхемотехники.

Источник: Постнаука

История интегральных схем (ИС) – изобретение микросхемы

Пожалуй, самым выдающимся изобретением за последние 60 лет было создание полупроводниковой микросхемы. Он был изобретен в 1958 г. американскими инженерами Д. Килби и Р. Нойсом, будущим основателем Intel. Независимо друг от друга, но практически одновременно, они предложили размещать отдельные электронные элементы на общей (интегральной) основе из полупроводниковых материалов. В 1961 г. компания Fairchild Semiconductor, возглавляемая Р. Нойсом, первой в мире наладила промышленное производство полупроводниковых микросхем, и с тех пор в электронной технике вместо большого количества транзисторов используются микросхемы. Электронные устройства уменьшились в размерах, и появились новые функциональные возможности.

Полупроводники – вещества, занимающие по своей электропроводности промежуточное положение между металлами и изоляторами. В электронике используются в основном полупроводниковые материалы, такие как кремний, германий, арсенид галлия, селен. Носителями тока в них являются отрицательно заряженные свободные электроны, оторвавшиеся от своих атомных ядер; их количество сильно зависит от температуры. Пустые пространства, из которых высвобождаются электроны, физики условно называли «дырками».

Если соединить два слоя полупроводников с разным типом проводимости, электроны вытесняются из одного в другой, оставляя в первом «дырки». Между слоями с разным типом проводимости находится так называемый барьерный слой с повышенным электрическим сопротивлением, так как он обеднен носителями заряда, при этом свойствами барьерного слоя можно управлять, прикладывая к нему напряжение (а также свет) .

Сочетание полупроводников с разными типами проводимости имеет и другие замечательные свойства. Она может создать эл. и т.д. с. (электродвижущая сила) при падении света на прибор или, наоборот, излучают свет при прохождении тока определенной полярности, генерируют термоэлектричество, создают разность температур на разных концах (эффект Пельтье).

Полупроводниковые датчики температуры, тензодатчики (тензометрические датчики), датчики магнитного поля.

Оригинальная гибридная интегральная схема Джека Килби из 1958

Изобретенные в начале ХХ века ламповые диоды и триоды стали основой для множества электронных устройств – радиоприемников и передатчиков, усилителей, измерительных приборов и автоматики.

Кроме того, любая электронная микросхема содержит многочисленные резисторы, конденсаторы, соединительные провода, а часто еще и детали обмотки и механические узлы. Элементы соединяются между собой пайкой, иногда сваркой. Оборудование было трудоемким в производстве и дорогим.

Попытки обойти эти недостатки не очень увенчались успехом, и вполне естественно физики и инженеры стали искать другую элементную базу.

Изобретение полупроводникового диода

В начале 1920-х годов началась эра твердотельных полупроводниковых приборов. Молодой физик О.В. Лосев разработал первый полупроводниковый диод – кристадин – в Нижегородской радиолаборатории. Он успешно использовался для усиления и генерации электрических колебаний. Позднее появились диоды других типов – выпрямительные, точечные, варикапы, стабилитроны, туннельные диоды, фотодиоды, светодиоды и др.

В 1948 г. американские изобретатели У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин создали новый усилительный полупроводниковый прибор – транзистор (триод) с управлением током, совершив фундаментальную революцию в электронике. В результате применения полупроводниковых диодов и триодов резко уменьшились габариты аппаратуры и энергопотребление, повысилась надежность.

Позднее (Шокли, США, 1952 г. и Тезнер, Франция, 1958 г.) были созданы другие типы многослойных полупроводниковых приборов — так называемые полевые транзисторы с управлением напряжением, аналогичные по характеристикам электронным лампам и имеющие огромный выигрыш по мощности.

Роберт Нойс изобрел первую монолитную интегральную схему в 1959 году. Чип был сделан из кремния.

Дальнейшая работа по уменьшению габаритов интегральных микросхем

Однако жизнь настоятельно требовала дальнейшего совершенствования электронных устройств. Трудоемкость изготовления, материалоемкость и габариты были еще слишком высоки. Переход на печатные платы частично решил эти проблемы, но большое количество отдельных электронных компонентов наложило свои ограничения. Необходимо было минимизировать количество пайки, снижающей надежность, и длину соединительных проводников, снижающую производительность. Также нужно было хоть как-то избавиться от многочисленных резисторов и конденсаторов, хотя бы частично.

Дальнейший прогресс в электронике связан с использованием интегральных микросхем. Интегральная микросхема представляет собой миниатюрное электронное устройство, элементы которого неразрывно связаны конструктивно и электрически между собой.

«Сердцем» интегральной микросхемы является кристалл из особо чистого полупроводникового материала (чаще всего кремния), в структуру которого внесены сложные целенаправленные изменения. Отдельные участки кристалла становятся элементами сложной системы. К определенным точкам кристалла крепятся выводы микросхемы (иногда их бывает несколько десятков), которые припаиваются к печатной плате электронного устройства. В кристалле специальными методами (диффузия, напыление, травление и др.) транзисторы (в современном микропроцессоре их много миллионов), диоды, резисторы, конденсаторы (разумеется, в ограниченном диапазоне емкостей).

Все процессы изготовления интегральных микросхем требуют высокого качества материалов и прецизионного оборудования, высочайшей культуры производства, стерильной чистоты.

В настоящее время интегральные микросхемы широко используются в компьютерах, контрольно-измерительных приборах, средствах связи, бытовых электронных устройствах… Устройства на основе твердотельных и цифровых технологий успешно заменяют традиционные устройства. Например, стали возможны часы, фотоаппарат и «магнитофон» без движущихся частей, плоский экран телевизора. Микрочипы даже «зашивают» в документы и вживляют под кожу. Возможности микроэлектроники поистине огромны.

Интересные факты об изобретении интегральной схемы (ИС)

1. Идея интегральной микросхемы пришла к изобретателю в один из июльских дней 1958 года прямо на рабочем месте. Поскольку Джек Килби был принят на работу в Texas Instruments всего пару месяцев назад, он не мог уйти в отпуск, как и большинство его коллег. Но он не отвлекался, и у Килби было достаточно времени подумать. Как рассказывал сам изобретатель, ему вдруг пришла в голову мысль: а что если все части микросхемы, а не только транзисторы, сделать из полупроводниковых материалов и собрать на одной плате? Боссу Texas Instruments идея понравилась, и он попросил Джека Килби изготовить микросхему по новому принципу.
2. Первый прототип микросхемы Килби, изготовленный вручную, выглядел весьма непрезентабельно. Он состоял из германиевой пластины и закладных частей электронной пластины, преобразующей постоянный ток в переменный. Для соединения блоков использовалась подвесная металлическая проволока. Однако после ряда доработок интегральная микросхема была готова к серийному производству.
3. Поначалу Texas Instruments медленно патентовала и коммерциализировала принцип интеграции Килби. Патент был получен лишь спустя пять месяцев, 6 февраля 19 г.59, на фоне слухов о том, что конкуренты, RCA, собираются запатентовать микрочип. Однако слухи оказались ложными.
4. Однако история показала, что Texas Instruments волновалась не напрасно. В январе 1959 года изобретателю Роберту Нойсу, работавшему в небольшой калифорнийской фирме Fairchild Semiconductor и в то время не знавшему об изобретении Килби, пришла в голову мысль, что вся электронная микросхема может быть собрана на одном кристалле. Весной Fairchild Semiconductor подала в патентное ведомство заявку на защиту интеллектуальных прав на «единую микросхему», где вопрос соединения компонентов микросхемы был лучше, чем у Texas Instruments. Примечательно, что в 1966 Texas Instruments и Fairchild Semiconductor признали равные права на интегральную микросхему во избежание патентных войн.
5. За изобретение интегральной микросхемы, благодаря которой электроника стала меньше, Джек Килби получил Нобелевскую премию по физике в 2000 году. Он также известен как изобретатель карманного калькулятора и термопринтера.

Часто задаваемые вопросы about The History of the IC

25 апреля был выдан первый патент на интегральную схему. Его получил Роберт Нойс. Заявление Килби в то время все еще анализировалось. Однако сегодня признано, что они оба пришли к идее создания интегральной схемы независимо друг от друга

Подробнее

На сегодняшний день прототип Килби был очень примитивным, но работал. 12 сентября 1958 г. Килби показал первую работу интегральной схемы и подал заявку на ее патент 6 февраля 1959 г.

Подробнее

Определение гибридной микросхемы | ПКМаг

Электронная схема, состоящая из различных типов интегральных схем и дискретных компонентов, смонтированных на керамической основе. Используемый в военных и коммуникационных приложениях, он особенно подходит для создания пользовательских аналоговых схем, включая аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, усилители и модуляторы. Гибридная микросхема превратилась в многокристальный модуль (MCM), а затем и в многокристальный корпус (MCP). См. MCM, MCP и пакет микросхем.

Гибридные микросхемы На картинке показаны различные гибридные схемы. Крошечные квадратные белые пятна и есть настоящие фишки. (Изображение предоставлено Circuit Technology, Inc.)

Реклама

Истории PCMag, которые вам понравятся

{X-html заменен}

Выбор редакции

PC Magazine Digital Edition (Открывается в новом окне)

PC Magazine Digital Edition

Читайте интересные истории в автономном режиме на любимом устройстве!

Информационные бюллетени PCMag

Информационные бюллетени PCMag

Наши лучшие истории в вашем почтовом ящике

Подпишитесь на PCMag

• Фейсбук (Открывается в новом окне)
• Твиттер (Откроется в новом окне)
• Флипборд (Открывается в новом окне)
• Гугл (откроется в новом окне)
• Инстаграм (откроется в новом окне)
• Pinterest (Открывается в новом окне)

PCMag.