Лекция 1.

1. Основные этапы развития электроники и микроэлектроникики

2. Определение и терминология микроэлектроники

3. Основные направления развития микроэлектроники

Основные этапы развития электроники и микроэлектроникики.Современный этап развития цивилизации характерен бурным ростом электроники. Сейчас, пожалуй, трудно назвать другую область науки и техники в любой развитой стране мира, которая имела бы столь высокие темпы развития, как электроника.

На современном этапе электроника ускоренными темпами развивается в обоих традиционных направле-ниях: приборном и аппаратурном. С одной стороны, идет развитие самой электронной техники: совершенствуются приборы, такие как диоды, транзисторы, другие электрон-ные приборы и создаются их новые классы. С другой стороны, на базе новых электронных приборов разрабаты-ваются и выпускаются новые виды электронной аппара-туры для разнообразных областей применения. Схематичес-кое изображение основных этапов развития электроники представлено на рис.1.1.

Однако наибольший интерес представляют некоторые особенности развития электроники. Во-первых, современный этап научно-технической революции характеризуется исключительно быстрым развитием сложной, основанной на новых принципах, электронной аппаратуры. В связи с этим традиционные методы ее дискретных элементов стали уже неприемлемы, поскольку они не могут обеспечить требуемую надежность, экономичность, энергоемкость, время изготовления и габаритные размеры. Необходимо было найти принципиально новые пути создания малогабаритной электронной аппаратуры. Эти требования и послужили причиной рождения нового научно-технического направления электроники – микроэлектроники.

Микроэлектроника явилась качественным результатом непрерывной миниатюризации электронной аппаратуры, стандартизации и унификации ее отдельных частей. Еще в эпоху электровакуумной электроники предпринимались шаги для уменьшения габаритов элементов электронной аппаратуры и создания конструктивно законченных унифицированных фунциональных узлов. Под последними понимают группы электронных элементов, способных выполнять определенные функции обработки сигналов: усиление, формирование, преобразование, генерирование и т.п. Такие конструктивно законченные узлы приобрели наименование модулей.

Транзисторная техника предоставила дополнительные возможности для работ в указанном направлении. Первоначально при изготовлении модулей использовались обычные дискретные транзисторы, диоды и пассивные элементы. В дальнейшем оказался возможным переход к микроминиатюризации узлов электронной аппаратуры, когда для создания модулей использовались специальные детали: бескорпусные транзисторы и диоды, а также малогабаритные пассивные элементы – микродетали.

В одном из конструктивных вариантов для каждого или нескольких микроэлементов предназначалась отдельная небольшая керамическая плата со стандартным расположением выводов по ее торцам. Этажерочный набор таких плат с электрическими соединениями отдельных элементов между собой вдоль их торцов давал возможность изготовлять функциональные узлы в виде небольших прямоугольных параллелепипедов (кубиков), названных этажерочными микромодулями. В другом варианте все детали или микродетали данного функционального узла собирались на одной изоляционной плате со стандартными размерами – плоском модуле или микромодуле. Уменьшение габаритов и веса электронных устройств на основе транзисторов не привело к существенному изменению их функциональных возможностей, однако значительно увеличило потребительский спрос на транзисторную радиоаппаратуру.

На примере транзисторных радиоприемников ясно просле­живается тот факт, что изобретение транзистора в сильной степени способствовало миниатюризации электронных устройств, ранее изготовлявшихся на вакуумных электронных лампах. Это был первый шаг в направлении миниатюризации электронных устройств. Замена ламп транзисторами не привела к миниатюризации телевизоров, поскольку их габариты определяются размерами электронно-лучевых трубок. За исключением телевизоров специального применения, тран­зисторные телевизоры не претерпели уменьшения габаритов подобно транзисторным радиоприемникам.

Однако транзисторы позволили значительно уменьшить потребляемую мощность. Это привело к уменьшению тепловыделения внутри телевизионных приемников и, следовательно, к повышению их надежности. С особым нетерпением появления транзистора ждали вычисли­тельной технике и в электронной аппаратуре самолетов и других летательных аппаратов. В 1947 г. в США была создана первая электронная вычислительная машина. Оценивая развитие ЭВМ, многие ученые рисовали весьма мрачные перспективы. Сколько ламп должна содержать ЭВМ? Первые большие машины (например, БЭСМ) имели около 5–6 тысяч ламп. Практика и расчеты показали, что этого явно недостаточно и что число ламп необходимо довести хотя бы до 10–15 тысяч. ЭВМ при этом превратилась бы в громоздкое сооружение, занимающее помещение площадью в несколько сотен квадратных метров и набитое электронными лампами. Но главной проблемой была проблема надежности. Электронные лампы того времени имели срок службы порядка 500–1000 ч. За это время

выходило из строя не менее 2% работающих ламп Например, в ЭВМ "Урал" находилось примерно 1000 ламп, за 1000 ч выходило из строя около 20 ламп. Таким образом, среднее время безотказной работы ЭВМ составляло 50 ч. При 10 000 ламп среднее время безотказной работы должно сократиться до 5 ч. В среднем каждые 5 ч надо будет искать вышедшую из строя лампу (среди 10 000!), заменять ее и проверять ЭВМ с помощью контрольной программы.

Огромное значение для бортового оборудования имеют его размеры, масса, количество потребляемой энергии. Каждый лишний килограмм увеличивает полетную массу самолета приблизительно на 5 кг, а массу ракеты – на 40–50 кг! Это происходит из-за необходимости брать дополнительный запас горючего, усиливать конструкцию. Миниатюризация и повышение надежности транзис­торных устройств явились большим шагом вперед на пути совер­шенствования изделий электронной техники. Однако на определенном этапе стало невозможным решать новые задачи старыми средствами, на основе прежней элементной базы, какими стали транзисторы. Основными факторами, обусловившими смену элементной базы, явились ее надежность, габариты и масса, стоимость и мощность. Простой (хотя и нестрогий) расчет иллюстрирует причины перехода от транзисторной техники к микроэлектронике.

Пусть требуется построить компактное электронное устройст­во, содержащее 10⁸ компонентов. Если попытать-ся решить эту задачу, используя дискретные компоненты, характеризуемые средней мощностью 15 мВт, средним размером с учетом соединений 1 см³, средней массой 1 г и интенсивностью отказов (выхода из строя) 10^-5ч^-1, то результат будет следующий: рассеиваемая устройством мощность – 1,5 Мвт, габариты 100 м³, масса 100 т. Как видим, устройство получилось далеко не компактное. Оно потребляет огромную мощность. На весь монтаж потребуется при 2-сменной работе не менее 10 человеко-лет. Однако самый главный вывод состоит в том, что средняя частота отказов (10^-5 х10⁸) оказывается равной 10³ ч^-1, т.е. около 1 отказа за 3 с, что, конечно, говорит о

неработоспособности устройства. Итак, в нашем примере техники оказалось невозможным. Ее можно решить только на качественно новой основе, используя новую элементную базу. И вот, в 1959 г. Дж. Килби и Р.Нойс независимо друг от друга подали заявки на изобретения, согласно которым на одном кристалле кремния строилась целая электронная схема. Сейчас такие схемы называются интегральными. Появление интегральных микросхем ознаменовало собой начало перехода от этапа транзисторной техники к новому этапу развития электроники – микроэлектронике. Следует подчеркнуть, что микроэлектроника и ее основополагающая идея – интеграция компонентов – зародилась в недрах дискретной транзисторной техники и впитала в себя ее прогрессивные методы и средства, например приемы планарной технологии.

Создание ИС привело не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и умень­шения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменений, которые обусловили современную революцию в микроэлектронике.

Так, появление электронных наручных часов произвело пере­ворот в часовой промышленности. Наручные часы из продук­ции точного машиностроения перешли в сферу изделий электронной промышленности. Предприятия, которые в недалеком прошлом пол­ностью занимались производством механических наручных часов, час­тично изменили структуру производства с учетом выпуска электрон­ных часов.

Аналогичным образом исчезли бытовые механические арифмометры, отошли на задний план такие простейшие вычисли­тельные устройства, как счеты и логарифмические линейки.

Кроме выполнения четырех арифметических действий (сложение, вычи­тание, умножение и деление) бытовые вычислительные устройства могут вычислять функции, программировать вычисления, памяти, что побудило называть их скорее не кальку­ляторами, а ЭВМ.

Благодаря появлению портативных бытовых ЭВМ (персо­нальных компьютеров) мы перестали пользоваться таблицами элементарных функций, такими, как таблицы квадратных корней, логарифмов, тригонометрических функций.

Таким образом, микроэлектроника в настоящее время является «рабочей лошадкой» теорий вычисления и связи, а также основным компонентом бытовых товаров, что в определенном смысле способствует изменению нашего культурного уравня.