Достаточно открыть корпус телевизора, радиоприёмника или компьютера, чтобы увидеть, устройство электронной печатной платы. Это устройство напоминает своего рода электрическую карту «улиц», где расположились различные электронные компоненты. Вместо «дорожек, тротуаров и шоссе» на плате присутствуют печатные медные связи, соединяющие миниатюрные компоненты. Печатные платы вполне удобны для производства небольших по габаритам приборов. Но что делать, когда создаётся сложная электронная машина, к примеру, высокопроизводительный компьютер? Решением такой задачи выступила интегральная схема – миниатюрное устройство, вместившее все электронные компоненты, необходимые для создания того же компьютера.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Анализ построения сложной электронной машины
Даже самому простейшему компьютеру необходимы как минимум восемь электронных переключателей, чтобы сохранить один байт (символ) информации. Так что, если действительно предполагается сборка компьютера с приличным объёмом памяти для хранения информации, необходимо минимум 750 символов (байт), увеличенных восьмикратно. Теоретически получается 6000 электронных переключателей.
Если все эти 6000 переключателей применить в образе старых конструкций – вакуумных ламп, получится огромных размеров энергоёмкая машина, для питания которой потребуется индивидуальная мини-электростанция. Благо в 1947 году три американских физика (Уильям Шокли, Уолтер Браттейн, Джон Бардин) изобрели транзисторы. Ситуация несколько улучшилась. Транзисторы — приборы, существенно меньше размеров ламп, требующие малых объёмов энергии, оказались вполне надежными и эффективными.
Однако проблема построения сложного компьютера от внедрения транзисторов сгладилась лишь частично. Объединение массы транзисторов в сложные схемы сопровождалось применением множества проводников. Для сборки компьютера такой вариант опять же виделся крайне неудобным. Ситуация поменялась кардинально, когда появились интегральные схемы.
Идея устройства интегральной схемы
Идея устройства микросхемы состояла в том, чтобы взять полную схему со всеми многочисленными электронными компонентами и связями, с последующим воссозданием в микроскопической форме на поверхности куска кремния. Благодаря этой идее появились всевозможные виды «микроэлектронных» гаджетов, которые сейчас воспринимаются как должное:
- цифровые часы,
- карманные калькуляторы,
- космические ракеты,
- спутниковая навигация и многое другое.
Интегральные схемы произвели настоящую революцию в электронике и вычислительной технике в период 1960 — 1970-х годов. Постепенно интегральные схемы модернизировались, что сопровождалось увеличением масштабов интеграции электронных компонентов при сохранении (и даже уменьшении) малых габаритных размеров:
- Маломасштабная интеграция (SSI)
- Среднемасштабная интеграция (MSI)
- Крупномасштабная интеграция (LSI)
- Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)
- Ультра крупномасштабная интеграция (ULSI)
Как создаются интегральные схемы?
Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.
Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:
- Проводники.
- Изоляторы.
Но технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.
Принцип легирования химических элементов
Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа.
В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам». Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом.
Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:
- диодов,
- транзисторов,
- запоминающих устройств и других.
Структурная интегральная схема внутри чипа
Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип).
Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.
Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.
Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе.
Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.
Кто создал интегральную схему?
Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.
Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.
Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.
При помощи информации: TechTerms