В статье автор прослеживает цепочку развития электроники от громоздких ламп до элементов размеров, относящихся к нано миру.
Ключевые слова: микроэлектроника, транзистор, наноэлектроника.
Технологический прогресс последнего десятилетия сыграл важную роль в развитии современного общества, постоянно поставляя товары более высокого качества, доступные на массовых рынках. Инновации сформировали наше общество в том виде, в каком мы его знаем, которое иначе было бы совершенно другим — от простых покупок до достижений современной медицины, от чрезвычайно успешной индустрии развлечений до высокоразвитой системы образования — все это было бы невозможно без прочной основы — современной техники
Интенсивные усилия профессионалов в области электроники, направленные на повышение надежности и производительности продуктов при одновременном уменьшении их размера и стоимости, привели к результатам, которые вряд ли кто-либо мог бы предсказать, но которые мы все сейчас наблюдаем. На самом деле многие думают, что электроника произвела революцию в истории человечества и сформировала наше будущее в то что мы сейчас видим на каждом углу. На протяжении многих лет мы наблюдали эволюцию электронных компонентов, которые уменьшались в размерах, выполняя все более сложные электронные функции на все более высоких скоростях. Все началось с разработки транзистора.
До изобретения транзистора в 1947 году его функцию в электронной схеме могла выполнять только электронная лампа.
Было обнаружено, что у вакуумных ламп есть несколько встроенных проблем. Основная проблема с этими лампами заключалась в том, что они выделяли много тепла, требовали времени прогрева от 1 до 2 минут, а также большого напряжения источника питания 300 Вольт постоянного тока и более. Другая проблема заключалась в том, что две идентичные лампы имели разные выходные и рабочие характеристики, поэтому от разработчиков требовалось создать схемы, которые могли бы работать с любой лампой определенного типа. Это означало, что для настройки схемы на выходные характеристики, необходимые для используемой лампы, часто требовались дополнительные компоненты.
Первые транзисторы не имели заметного преимущества по размеру перед самыми маленькими лампами и были более дорогими. Самым большим преимуществом транзистора перед лучшими электронными лампами было то, что он потреблял гораздо меньше энергии, чем электронная лампа. Кроме того, они обеспечивали большую надежность и более длительный срок службы. Однако потребовались годы, чтобы продемонстрировать другие преимущества транзистора перед электронными лампами.
Появление микроэлектронных схем по большей части не изменило характер основных функциональных единиц: микроэлектронные устройства по-прежнему состояли из транзисторов, резисторов, конденсаторов и подобных компонентов. Основное отличие состоит в том, что все эти элементы и их соединения теперь изготавливаются на единой подложке за одну серию операций.
Развитие микроэлектроники зависело от изобретения методов изготовления различных функциональных блоков на кристалле полупроводниковых материалов. В частности, все больше функций передается элементам схемы, которые работают лучше всего: транзисторам. Было разработано несколько видов микроэлектронных транзисторов, и для каждого из них были разработаны семейства связанных элементов схем и схемных схем.
Биполярный транзистор был изобретен в 1948 году. В этом типе транзисторов в их работе участвуют носители заряда обеих полярностей. Их также называют переходными транзисторами. Транзисторы NPN и PNP составляют класс устройств, называемых переходными транзисторами.
Второй тип транзистора был фактически разработан почти за 25 лет до биполярных устройств, но его массовое производство не было практичным до начала 1960-х годов. Это полевой транзистор. В микроэлектронике широко используется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. Этот термин относится к трем материалам, использованным в его конструкции, и обозначается аббревиатурой MOSFET.
Два основных типа транзисторов, биполярные и MOSFET, делят микроэлектронные схемы на два больших семейства. Сегодня наибольшая плотность элементов схемы на кристалле может быть достигнута с помощью новой технологии MOSFET.
Сегодня отдельная интегральная схема на кристалле может теперь включать в себя больше электронных элементов, чем наиболее сложное электронное оборудование, которое могло быть построено в 1950 году.
За первые 15 лет с момента создания интегральных схем количество транзисторов, которые можно разместить на одном кристалле, ежегодно удваивалось. Схема 1980 года имеет плотность около 70К на чип.
Первые поколения серийно выпускаемых микроэлектронных устройств теперь называются малоразмерными интегральными схемами (МИС). Схема, определяющая логическую матрицу, должна была быть обеспечена внешними проводниками. Устройства с более чем 10 вентилей на кристалле, но менее чем с 200 — это интегральные схемы среднего размера (СИС). Верхняя граница технологии средних интегральных схем отмечена микросхемами, которые содержат полный арифметико-логический блок (АЛУ). Это устройство принимает два операнда в качестве входных данных и может выполнять с ними любую из дюжины или около того операций. Операции включают в себя сложение, вычитание, сравнение, логические «и» и «или» и сдвиг на один бит влево или вправо.
Большая интегральная схема (БИС) содержит десятки тысяч элементов, но каждый элемент настолько мал, что вся схема обычно занимает менее четверти дюйма на стороне. Интегральные схемы эволюционируют от больших к сверхбольшим (СБИС).
С тех пор, как транзистор был изобретен более 80 лет назад, в электронике была тенденция к созданию все меньших и меньших размеров изделий с использованием меньшего количества микросхем большей сложности и меньших «функциональных» размеров. Разработка интегральных схем и запоминающих устройств продолжала развиваться с экспоненциальной скоростью. В настоящее время на каждое последовательное уменьшение вдвое размера компонентов уходит два-три года.
Наноэлектроника — это использование нанотехнологий в электронных компонентах, особенно в транзисторах. Хотя термин нанотехнология обычно определяется как использование технологии размером менее 100 нанометров, наноэлектроника часто относится к транзисторным устройствам, которые настолько малы, что взаимодействия и квантово-механические свойства требуют тщательного изучения. В результате существующие транзисторы подпадают под эту категорию, даже несмотря на то, что эти устройства производятся по технологии 65 или 45 нанометров. Наноэлектронику иногда считают прорывной технологией, потому что нынешние элементы значительно отличаются от традиционных транзисторов. Некоторые из этих элементов включают: гибридную молекулярную/полупроводниковую электронику, одномерные нанотрубки/нанопроволоки или передовую молекулярную электронику. Хотя все это многообещающе на будущее, они все еще находятся в стадии разработки и, скорее всего, в скором будущем будут интегрированы в многие передовые разработки в сфере микроэлектроники.
Споры о социальных последствиях микроэлектроники и наноэлектроники продолжаются. Прошлое показало нам, как переход от старых технологий к микроэлектронике повлиял на все аспекты жизни, от уровня жизни до занятости.
Человечество сейчас находится на пороге еще одного важного изменения — перехода от использования микроэлектроники к более новой технологии наноэлектроники, а это означает еще одно влияние на все, что мы знаем. На этот раз влияние на занятость будет глубоким, но его трудно предсказать, потому что разные сектора затронуты по-разному. Наноэлектроника окажет значительное влияние на полупроводниковую промышленность. Все связанные с электроникой элементы, такие как запоминающие устройства, устройства хранения, устройства отображения и устройства связи, будут унесены волной наноэлектроники.
Каждое устройство, от транзисторов до компьютеров, в которые они умещаются, подвергнется трансформации. Устройства нано-масштаба позволят создать новый мир инновационных продуктов, таких как биосенсоры, молекулярная память, электронные продукты на основе спина.
Литература:
- Электровакуумные приборы. Справочник. Алексеев С. Н. Москва, 1956 г
- Электронная техника: электронная техника. Москатов Е. А. Москва, 2017 г
- Физические основы микро- и нанотехнологий: Учеб. Пособие С. П. Бычков, В. П. Михайлов, Ю. В. Панфилов, Ю. Б. Цветков. 2009 г
