Микроэлектроника — подраздел электроники,
связанный с изучением и производством
электронных компонентов с геометрическими
размерами характерных элементов порядка
нескольких микрометров и меньше.
Основной задачей микроэлектроники
является создание микроминиатюрной аппаратуры
с высокой надежностью и воспроизводимостью,
низким энергопотреблением и высокой
функциональной сложностью.
Такие устройства обычно производят
из полупроводников и полупроводниковых
соединений, используя фотолитографию
и легирование. Большинство компонентов
обычной электроники: резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности, диоды, транзисторы,
изоляторы и проводник — также
применяются и в микроэлектронике,
но уже в виде миниатюрных устройств
в интегральном исполнении.
Цифровые интегральные микросхемы
по большей части состоят из транзисторов.
Аналоговые интегральные схемы также
содержат резисторы и конденсаторы.
Катушки индуктивности используются
в схемах, работающих на высоких
частотах.
С развитием техники размеры
компонентов постоянно уменьшаются.
При очень большой степени
интеграции компонентов, а следовательно
при очень малых размерах каждого
компонента, очень важна проблема
межэлементного взаимодействия — паразитные
явления. Одна из основных задач проектировщика
— компенсировать или минимизировать
эффект паразитных утечек.
Различают такие направления
микроэлектроники, как интегральная и функциональная
Интегральная электроника представляет
собой дальнейший этап развития технологии
изготовления полупроводниковых приборов
на основе применения высокопроизводительных
групповых технологических процессов.
Основные разработки в области интегральной
электроникаи направлены на создание:
интегральных схем (полупроводниковых,
плёночных, гибридных), функциональных
интегральных узлов, молектронных и оптоэлектронных
устройств, ионных приборов
Наиболее развита полупроводниковая
и плёночная (гибридная) микроэлектроника,
обеспечивающая массовое промышленное
производство стандартных интегральных
схем. Особенности развития этих
направлений заключаются в непрерывном
повышении функциональной сложности
и увеличении степени интеграции
схем. Оба направления тесно взаимосвязаны
и дополняют друг друга. Функциональные
интегральные узлы, молектронные
и оптоэлектронные устройства
являются дальнейшим развитием
интегральной технологии на основе
методов полупроводниковой и
плёночной технологии. Интегральные
схемы широко применяют в ЭВМ,
контрольно-измерительной аппаратуре,
бытовых радиоэлектронных приборах,
аппаратуре связи и мн. др.
Функциона́льная (микро)электро́ника
— одно из современных направлений микроэлектроники,
основанное на использовании физических
принципов интеграции и динамических
неоднородностей, обеспечивающих несхемотехнические
принципы работы устройств. Функциональная
интеграция обеспечивает работу прибора,
как единого целого. Разделение его на
элементы приводит к нарушению функционирования.
В функциональной микроэлектронике
используется взаимодействие потоков
электронов со звуковыми волнами
в твёрдом теле, оптические явления
в твёрдом теле, свойства полупроводников,
магнетиков и сверхпроводников в
магнитных полях и др
Интегральные схемы.
В ИС нелинейные твердотельные
приборы, детали структуры к-рых
имеют микронные размеры (микроприборы),
и линии связи между ними формируются
в едином технол. процессе на общей
пластине - подложке (интегральная технология).
Важнейшие приборы, входящие в состав
PIC: транзисторы (биполярные, полевые),
их комплементарные пары (п-р-п - - р-п-р;
n-канальные и р-канальные); энергозависимые
транзисторы (напр., с плавающим затвором);
диоды твердотельные (на p - n - переходах,
диоды Шоттки); приборы с зарядовой
связью (передача заряда в цепях
из тысяч МДП-элементов, см. МДП-структура
),на цилиндрических магнитных доменах
(ЦМД), на доменных стенках и линиях.
Разрабатываются новые типы транзисторов:
с баллистич. пролётом электронов (без
рассеяния на дефектах и фононах),
с двумерным электронным газом,
с проницаемой базой (внутри базы
расположена металлич. решётка, играющая
роль сетки) и др.
Внутр. линии связи
ИС (электрич., оптич., в т. ч. волоконные,
магн., акустические) обеспечивают обмен
сигналами и согласованное протекание
множества процессов, локализованных
в объёме кристалла. T. о., наряду
с интеграцией элементов в
M. достигается интеграция нелинейных
физ. явлений. Системы микроприборов
и связей между ними образуют
единое устройство - информац. автомат,
к-рый выполняет функции хранения,
обработки и обмена данными
с внеш. миром (человеком, др. автоматами,
техн. объектами, включая роботов
и исполнит, механизмы), моделирование
физ. и др. процессов, вывод
сигналов, управляющих разл. устройствами.
Степень интеграции N -
число транзисторов или их
функциональных групп (т. н.
логич. "вентилей", ячеек памяти
и др.) в одной ИС - показатель
её сложности. С возникновением
M. (50-60-е гг. 20 в.) N непрерывно растёт:
(для крупносерийных логич. ИС)
и (для лучших образцов схем
памяти), где- "возраст" M. (с 1960).
Тридцатидвухразрядные микропроцессоры,
т. н. транспьютеры, и др. суперкристаллы
имеюти реализуют центр, часть
ЭВМ с производительностью ~107
операций в 1 с, устройства самодиагностики
и даже "саморемонта". Ультрабольшие
ИС памяти имеют ёмкость до
224 бит (16 мегабит).
Уровень миниатюризации.
Мин. размер l0 "деталей" внутр.
геометрии ИС (ширина проводников,
длина канала полевого транзистора
и т. п.) - осн. показатель уровня
миниатюризации. Уменьшение l0, связанное
с возможностями микролитографии,
на к-рой основано формирование
внутр. геометрии ИС, происходит
со CD. скоростью, определяемой соотношением
l0 = (50- . В пром. ИС l0 = 1,5-2,5 мкм, в
лучших ИСмкм (1987). С уменьшением
l0 увеличивается быстродействие
и снижается энергопотребление
элементов, но усложняются физ.
процессы, их тео-ретич. анализ, проектирование
и оптимизация. В нач. период
развития M. (при мкм) нелинейные
электронные процессы локализовались
в активных областях отд. транзисторов
(напр., в базе биполярных транзисторов).
Оптимизация при этом была
основана на одномерных моделях
(приближение бесконечных плоских
r - n-переходов), и проектирование
И С "наследовало" осн.
принципы проектирования электронных
схем на дискретных приборах.
При мкм нелинейные явления
внутри транзисторов и активные
связи между ними ("паразитные"
транзисторы) осложнили применение
этой модели, а при мкм "лавинное"
нарастание этих явлений, влияние
сильного электрич. поля и горячих
электронов потребовали перехода
к нелинейным двумерным, а затем трёхмерным
моделям, аналитически не разрешимым и
требующим расчёта на ЭВМ. Нелинейным
становится и поведение внутр. связей.
Абс. величина тока снижается, а сечений
линий плотность тока возрастает, и разогрев
проводников в сочетании с сильным электрич.
полем и высокой плотностью тока вызывает
перенос ионов и атомов прямым дрейфом
или электронным ветром. При мкм достигается
оптимум, ниже к-рого быстродействие перестаёт
возрастать, а энергопотребление транзисторов
перестаёт снижаться. Их др. характеристики
также ухудшаются. Кроме того, начинают
развиваться нежелательные коллективные
электронные процессы. T. о.,мкм - нижний
физ. предел M., основанный на классич. принципах
синтеза схем. Теоретич. предел быстродействия
~10-12 с (системные ограничения обусловлены
процессами внутрисхемной передачи сигналов,
задержки сигналов, согласованием линии
связи и их помехозащищённостью и др.).
Технология микроэлектроники
и системы автоматизированного
проектирования (САПР). Технол. ограничения
в M. определяются возможностями
планарной технологии - послойного
синтеза структуры твердотельного
устройства с помощью многократно
повторяющихся (до 10-16 раз; с развитием
M. это число возрастает) групп
операций, причём каждая группа
формирует на поверхности подложки
двумерный рисунок и преобразует
его в объёмную внутр. геометрию
ИС, а погрешность совмещения
каждого последующего рисунка
с предыдущими При проектировании
конечная структура представляется
в виде совокупности плоских
картин (напр., в виде шаблонов). Это
осуществляется с помощью САПР.
Спец. компьютерные программы САПР
основаны на функциональном и
электрич. моделировании ИС и
содержат "библиотеки стандартных
элементов", из к-рых формируется
ИС, оптимизируются геометрия её
внутр. связен, проверка её устойчивости
к помехам и т. д. Наиб, совершенные
САПР обеспечивают также оптимизацию
внутр. структуры новых поколений
ИС. САПР новых поколений ИС
основаны на наиб, мощных ЭВМ
предыдущих поколений. Принцип
послойного синтеза определяет
границы M., в частности степень
связности рисунка ИС при данном
N. Системные ограничения пленарных
структур (быстродействие и мощность,
степень связности и степень
интеграции и т. д.) связаны
предельными соотношениями. Теоретич.
предел N ~ 1010 для ИС на целой
полупроводниковой пластине с
диам. 200-250 мм.
Физ. принципы действия
ИС и технология их синтеза
взаимно согласованы. Когда геом.
размер твёрдого тела (хотя бы
в одном измерении) становится
достаточно малым, скорости протекания
технол. процессов (диффузия, структурная
перестройка, рост, травление и
др.) перестают лимитировать их
применение. Поэтому в технологии
M. используются разнообразные явления,
включая диффузию и фазовые
переходы в твёрдом теле, гетерогенные
реакции, воздействие частиц высоких
энергий, сфокусированных электронных
и ионных пучков и др. Используются
также процессы, селективные по
отношению к разл. структурным
и хим. состояниям кристалла.
Требования к чистоте веществ
в M. нередко превышают разрешающую
способность методов их анализа.
Функциональная микроэлектроника.
Ограничения, вызванные нарастающей
плотностью и сложностью внутр.
связей, стимулируют развитие т.
н. функциональной M. - создание структур,
функциональные свойства к-рых
определяются коллективными электронными
процессами и не могут быть
реализованы путём коммутации
отд. его областей; обработка информации
осуществляется не схемотехн.
путём, а динамич. распределением
зарядов и полей - эл--магн., тепловых,
упругих. При этом используются
оптич. явления (см. Оптоэлектроника
),взаимодействие электронов с акустич.
волнами (см. Акустоэлектроника ).В связи
с открытием высокотемпературной сверхпроводимости
особое значение приобретают криоэлектронные
приборы. Разрабатываются полностью оптические
("фотонные") вычислит, машины. Функциональная
M. позволяет достичь предельно высокой
производительности и мин. энергопотребления.
Однако для каждого класса задач требуется
создание спец. структур или сложная настройка.
Кроме того, "несхемотехн." решения
характеризуются меньшей точностью и
устойчивостью вычислений и моделирования.
При достаточно высоком
уровне развития технологии становится
возможным создание гибридных
устройств, объединяющих цифровые
схемотехнические и функциональные
процессоры, автоматически распределяющих
между ними информац. потоки на
каждом этапе решений задач.
Существуют устройства, интегрирующие
в едином твёрдом теле электронные
и неэлектронные (в т. ч. синтезаторы
речи) микромеханич. элементы (датчики,
анализаторы, исполнительные микромеханизмы,
микродвигатели и т. п.). T. о., принципы
M. распространяются на всю сферу
устройств, функциональное назначение
к-рых допускает миниатюризацию
хотя бы в одном из трёх
пространственных измерений.
Предполагается, что одна
из новых ветвей развития M. пойдёт
в направлении копирования процессов
в живой клетке, ей присвоены
термины "молекулярная электроника"
или "бноэлсктроника". Достигнутый
уровень развития M. сделал возможным
постановку исследований и разработку
систем искусств, интеллекта.
Деградация микроэлектронных
устройств. С термодинамич. точки
зрения ИС - неравновесная система,
закрытая для массообмена со
средой, но открытая энергетически
в процессе своего функционирования
(см. Открытая система). Энергетич.
обмен со средой ускоряет процесс
релаксации системы к равновесному
состоянию. Этот процесс наз.
деградацией. Многообразие механизмов
деградации породило новую область
M., исследующую надёжность микроэлектронных
устройств. Осн. особенность механизмов
деградации в M. состоит в том,
что они протекают при высоких
плотностях тока (св. 106 А/см2), высоких
напряжён-ностях электрич. поля (св.
106 В/см) и поверхностных плотностях
мощности (105 Вт/см2). В таких условиях
становятся неустойчивыми не
только распределения тока и
поля, но и атомная структура
кристалла. Нек-рые механизмы
деградации могут быть использованы,
напр, разрушение пли перестройка
внутрисхемных связей и переброс
"пакетов" носителей зарядов
в глубокие ловушки.
Роль микроэлектроники
в науке и технике. M. образует
фундамент совр. средств автоматизации,
связи, кнформац--вычислит, техники.
Парк последней в миро к
сер. 80-х гг. достиг ок. 108 ЭВМ с
производительностью от 105 до 108, а
в отд. ЭВМ до 1010 операций в
1c. Для физики особенно важны
3 класса проблем, решаемых с
помощью ЭВМ: 1) автоматизация эксперимента,
включая его планирование, управление,
анализ и обработку результатов
(в осн. с помощью профессиональных
персональных ЭВМ); 2) численное решение
на супер-ЭВМ сложных задач,
не разрешимых аналитически (квантовомеханических,
задачи Изинга с учётом границ
кристалла и т. д.); 3) моделирование
многочастичных систем и сплошных
сред на многопроцессорных ЭВМ
(до 6,5-104 процессоров; проектируются
- до 10е); при этом организация
внутр. информац. обмена топологически
подобна организации физ. связей
в моделируемых объектах.
M. стала источником новых
идей и методов в физике
твёрдого тела и материаловедении.
В связи с задачами M. созданы,
напр., устройства с управляемыми
электронными и ионными пучками
диаметром в неск. атомов, ионные источники
(от протонов до тяжёлых ионов) широкого
диапазона энергий (с диаметром пучка,
близким к размерам отд. попов), аппаратура
для выращивания монокристаллов и многослойных
структур, где толщина, состав и строение
каждого слоя контролируются с точностью
до параметра решётки (см. Гетеро-структура,
Эпитаксия), и т. д. Созданы новые пьезоэлектрические
материалы ,феррогранаты, материалы с
высокой чувствительностью к действию
света, рентг. излучения, электронных и
ионных пучков и т. д. Одно из достижений
микроэлектронного материаловедения
- сверхрешётки на основе множества чередующихся
сверхтонких слоев полупроводников типа
АIII - ВV.