Микроэлектроника

     Микроэлектроника.

Основные направления  развития электроники.

     Электроника – это наука, изучающая явления  взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными  полями, что является физической основой  работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

     Охватывая широкий круг научно-технических  и производственных проблем, электроника  опирается на достижения в различных  областях знаний. При этом, с одной  стороны, электроника ставит перед  другими науками и производством  новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой – снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

     Основными направлениями развития электроники  являются: вакуумная, твердотельная  и квантовая электроника.

     Вакуумная электроника – это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с  электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной  электроники относятся: электронная  эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

     Основные  направления развития вакуумной  электроники связаны ,с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

     Твердотельная электроника решает задачи, связанные  с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием гетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.

     Основными направлениями твердотельной электроники  являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных  видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с  разработкой интегральных схем.

     Квантовая электроника охватывает широкий  круг вопросов, связанных с разработкой  методов и средств усиления и  генерации электромагнитных колебаний  на основе эффекта вынужденного излучения  атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники:  создание оптических и квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие:  высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения - которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

История развития микроэлектроники.

     Микроэлектроника  является продолжением развития полупроводниковой  электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые  свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн.

     Дальнейшее  развитие полупроводниковой электроники  связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году – плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).

     Создание  транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области  физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для  практической реализации развивающейся  полупроводниковой электроники  потребовались сверхчистые полупроводниковые  и другие материалы и специальное  технологическое и измерительное  оборудование. Именно на этой базе стала  развиваться микроэлектроника.

     Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники – групповой метод и планарная  технология – были освоены при  изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

     Первые  разработки интегральных схем (ИС) относятся  к 1958 – 1960г.г. В 1961 – 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны  пленочные ИС. Однако некоторые неудачи  с разработками стабильных по электрическим  характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные  ИС появились в 1962 – 1963г.г. Первые отечественные  ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией  карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам.

     В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

     Первый  этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов  порядка 10 мкм.

     Второй  этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х  годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и  минимальным размером элементов  до 2 мкм.  

     Третий  этап, начавшийся во второй половине 70-х  годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным  размером элементов до 1 мкм.  

     Четвертый этап, характеризуется разработкой  сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000 элементов/кристалл и размерами  элементов 0,1 – 0,2 мкм.  

     Пятый, современный, этап характеризуется  широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.