Для чего нужны микросхемы

Зачем нужны микросхемы

Четверг, 26 октябрь 2023, 12:21 510

Микросхемы являются основой современной электроники. Это сочетание разных компонентов, которые тут собраны в общее целое. Их количество в одной микросхеме может достигать сотен миллионов. Широко используются в разнообразных областях. Любая микросхема является законченным функциональным элементом, которая благодаря своему исполнению позволяет значительно снизить весовые характеристики изделий, повышая их эксплуатационную надежность.

Микросхемы используются для оптимальной работы всевозможных электронных устройств. Благодаря миниатюрности и производительности они с высокой эффективностью справляются с разными функциями, повышая эффективность различных устройств.

Важная функция любой микросхемы – интеграция многочисленных компонентов в небольшом корпусе. Благодаря этому, электроника значительно уменьшается в размерах, а также становится легче, что позволит уменьшить затраты на производство.

Микросхемы легко обрабатывают большие объемы информации за минимальные временные промежутки. Благодаря этому существенно увеличивается производительность и ускоряется работа устройств.

Также микросхемы отличаются малым энергопотреблением, что в особенности заметно по сравнению с устаревшими технологиями, что уменьшает нагрузку на батареи, позволяя устройствам дольше работать от одного заряда.

Микросхемы: кремниевое сердце электроники

Зачем нужны микросхемы? Чем важен кремний для электроники? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Микросхема, или чипы, — электронное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию, выраженную в единицах и нулях. Чипы работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входящим электротоком. Главный элемент транзистора — p-n-переход (от англ. positive — положительный и negative — отрицательный): в нем соприкасаются полупроводники с противоположными типами проводимости.

В одной микросхеме умещается до миллиарда транзисторов, и это дает большие вычислительные мощности. На базе микросхем созданы современные компьютеры и умная электроника.

Принцип работы и устройство микросхемы

Основа смартфонов и ноутбуков — это монокристаллический кремний. На нем инженеры формируют микросхемы из электронных компонентов: резисторов, транзисторов и конденсаторов. Чтобы избежать помех, микросхеме нужен диэлектрик для изоляции транзисторов друг от друга и металлические развязки-проводники для соединения. Транзистор преобразует входной ток и передает простейшую информацию в виде единиц и нулей. Ими оперирует булева алгебра для базовых логических функций: отрицания, тождества, сложения и пересечения.

Регистры настраиваются под каждую логическую функцию, а после объединяются в единую схему — процессор или микроконтроллер. Они выполняют вычислительное действие. В современных микросхемах на один кристалл кремния миллиарды транзисторов, поэтому настраивает и размещает их компьютер, а не человек.

Производство микросхем

Кристаллы для микросхем выращивают по методу Чохральского: в расплав кремния помещается небольшой кусочек кремния, затем его медленно вращают, и он начинает вытягиваться и застывать. В итоге получается цилиндр монокристаллического кремния, его нарезают на несколько пластин. В кремний добавляют атомы различных элементов (мышьяк, фосфор, бор), формируя базовый элемент транзистора — p-n-переход. Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.

После этого в корпусе DIP (dual-in-line-package — прямоугольный корпус с двумя рядами контактов по бокам) кристалл соединяют с входами и выходами микросхемы. Как только кристалл распаян, то есть на нем появились контактные площадки, к ним приваривается проволочка и соединяется с ножками DIP. Затем микросхему помещают в корпус из эпоксида или пластика. При этом кристалл стоит поместить на медную или золотую подложку для отвода тепла: через микросхему в секунду проходит большой объем энергии, и нужна система охлаждения.

Микросхемы в основном делают на монокристаллах кремния, сырья для которого на планете очень много. Но есть и альтернативные материалы: сапфир, углерод, арсенид галлия, германий. Микросхемы на монокристалле сапфира отличаются тем, что их можно использовать в силовой электронике, когда в ход идут большие токи. Из-за этого их часто применяют в оборонных технологиях. Микросхемы из германия больше устойчивы к низким температурам, а галлиевые устройства подходят для работы с сигналами высоких частот (в диапазоне от гигагерца и выше) — в мобильной связи и Wi-Fi.

В качестве одной из альтернатив кремнию рассматривается углерод. У него есть три фазы: полупроводниковый карбин, проводящий графит и диэлектрик — алмаз, который можно использовать как полупроводник. Микросхемы на основе углерода позволят работать в широком температурном диапазоне. В устройствах на углеродных нанотрубках отсутствует p-n-переход, а его повреждение — частая причина поломки микросхемы.

Отдельный интерес представляют гибридные интегральные схемы — электронный компонент с элементом в виде сверхпроводника. Сверхпроводник позволяет избавиться от омических потерь — перехода энергии тока в тепловую энергию — и увеличить энергоэффективность. Благодаря этому тратится меньше энергии на единицу обработанной информации. На сверхпроводниках основан SQUID (Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерферометр) — магнитометр, который может измерять слабые магнитные поля.

Производство микросхем требует особых норм безопасности, соблюдение которых чрезвычайно важно. Для обработки кремния используется плавиковая кислота — она обжигает нервные окончания и растворяет кости. При фотолитографии используются канцерогенные растворители и добавки — они раздражают слизистую оболочку и кожу.

Когда микросхемы утилизируют, из них необходимо выделить драгоценные металлы — в основном золото, но также серебро или платину и так далее. Этот процесс также требует соблюдения норм экологической безопасности.

Параметры микросхемы

Главная задача микросхемы — быстрая и правильная обработка информации. Это зависит от нескольких параметров.

Один из них — это тактовая частота работы. Внутри чипа один транзистор может отличаться от другого, поэтому их нужно синхронизировать. Для этого используется кварц в качестве генератора частоты. Относительно него вся информация передается с заданной частотой такта. Чем чаще частота, тем больше передается информации. Быстродействие всей системы определяет и резистивная емкостная нагрузка элемента — это не только число транзисторов, но и проводимость их каналов.

Применение микросхем

Микросхемы выполняют вычислительные функции. Они интерпретируют и обрабатывают информацию, которая сводится к единицам и нулям и выражается булевой алгеброй. Из микросхем создаются разные устройства — от датчиков движения до средств машинного зрения и умных пылесосов.

До массового распространения микросхем распылители жидкости или газа в автомобиле были механическими. Форсунка настраивалась так, чтобы бензин впрыскивался в определенный промежуток времени. Сейчас инжекторы снабжены микроконтроллером, который управляет топливными клапанами — регулирует расход горючего.
Микросхемы используют в датчиках влажности воздуха на основе оксида олова. Например, конденсатор, в котором в качестве диэлектрика используется пористый оксид олова, меняет свою емкость, если в него попадает вода. Рядом с конденсатором присутствует интегральная схема, которая анализирует емкость и определяет значение влажности.

Поломки микросхем

Наиболее уязвимая часть микросхемы — это p-n-переход, основная часть транзистора. Между p- и n-областями образуется переходный слой, в котором нет свободных носителей заряда. Если в эту решетку попадает высокоэнергетическая частица — квант от солнца или иной звезды, — то она вносит носителей заряда, и появляется дополнительный ток носителей заряда. В итоге это может нарушить работу логической цепи или разрушить ее.

Из-за этой особенности для военных нужд долгое время использовали вычислительные машины на вакуумных лампах. Транзисторный приемник выйдет из строя при ядерном взрыве от высокоэнергетичных квантов, даже если устройство находилось далеко от эпицентра, а приемник на лампах продолжит работать.

P-n-переход в микросхемах может разрушаться и по естественным причинам. Когда чип работает, выделяется тепло, причем в больших количествах. Ускоряется диффузия (взаимопроникновение атомов веществ) элементов металлических соединений и примеси, с помощью которой по отдельности формировались p- и n-переходы. В итоге p-n-переход исчезает.

Будущее микросхем

Главный вопрос будущего микросхем — что будет, когда перестанет работать закон Мура. Основатель Intel Гордон Мур вычислил, что количество транзисторов на монокристалле удваивается каждые 24 месяца. Это происходит благодаря уменьшению самих транзисторов, однако у этого процесса есть предел, который рано или поздно наступит.

В производстве центральных процессоров есть ограничения. Согласно закону Джина Амдала, общая вычислительная мощность растет, если распределять задачи между ядрами процессора. Практическое применение закона — создание многоядерных процессоров — позволило совершить рывок в микроэлектронике 10 лет назад, когда Intel представила двухъядерный процессор Core Duo. Но этот же закон вводит ограничения на рост производительности от распределения по ядрам.

Дата-центрам, серверам, суперкомпьютерам требуется много энергии на единицу переработанной информации, поэтому сокращение энергозатрат, в том числе и на охлаждение, — задача будущего микросхемотехники.

# Микросхема

Микросхема — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковой, как правило, кремниевой, пластине или пленке (так называемая интегральная схема) и помещенная в неразборный корпус. Основной способ изготовления микросхем — фотолитография, то есть нанесение рисунка схемы облучением светочувствительной поверхности подложки с последующим травлением и напылением. Микросхема впервые была создана в 1958 году в США, одновременно в двух разных фирмах — Texas Instruments и Fairchild Semiconductor. После отчаянных патентных споров фирмы договорились о совместной лицензии на производство чипов, и уже в 1961 году микросхемы поступили в свободную продажу. Появление микросхем в электронике представляет собой одну из великих технологических революций двадцатого века, которая позволила на порядки уменьшить размеры электронных устройств и обусловила появление персональных компьютеров, которые сразу же стали развиваться, увеличивая свое быстродействие и емкость памяти по закону Мура. По нему количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. Если в начале семидесятых годов прошлого века ширина «полосы» (своеобразный микросхемный аналог слова «разрешение») при печати микросхемы составляла несколько микронов, то сегодня ее ширина достигла 14 нанометров. Возможно, сегодня история микросхемы в ее первоначальном виде заканчивается, так как дальнейшее сужение полосы наталкивается на очень серьезные проблемы. Ожидается, что к середине 2020-х годов появятся монолитные трехмерные микросхемы, в которых многослойные компоненты будут встроены в единый цельный кристалл кремния. Возможно также, что в ход пойдет использование альтернативных материалов, различных квантовых эффектов или даже таких экзотических технологий, как сверхпроводимость. Фото: MGattringer/Wikimedia Commons

Создан новый фотонный материал
16 декабря 2019, 21:21
Созданы обрабатывающие и запоминающие информацию транзисторы
10 декабря 2019, 12:27
На замену катетерам в местной анестезии разработали биоразлагаемый имплант
08 августа 2019, 10:40
Физики усовершенствовали оптические волноводы
03 февраля 2019, 17:02
Инженеры создали биоразлагаемые микросхемы
05 мая 2017, 11:28
Создано «жидкое» оригами, которое само складывается
30 апреля 2017, 12:36
Создан охлаждающий аккумулятор для микросхем
20 марта 2017, 15:31
Инженеры назвали причину «зависания» смартфонов
20 февраля 2017, 15:01
Разработаны миниатюрные излучатели и приемники терагерцового излучения
10 февраля 2017, 13:21
Впервые создана способная работать на Венере микросхема
09 февраля 2017, 13:24
Немецкие ученые собрали электропроводящие устройства из ДНК
09 ноября 2016, 20:11

• Новости
• События
• Фото дня
• Цифровая энциклопедия
• Дискуссионный клуб
• Открытия российских ученых

Indicator, 2024 г. 18+

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Все права защищены. Полное или частичное копирование материалов Сайта в коммерческих целях разрешено только с письменного разрешения владельца Сайта. В случае обнаружения нарушений, виновные лица могут быть привлечены к ответственности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.

Что такое микросхема

Микросхема — это небольшое электронное устройство, состоящее из различных радиоэлементов и помещенное в неразборный корпус. Зачем она нужна? По сути, это «кирпичик», благодаря которому происходит миниатюризация проблем для работоспособности электроники.

С помощью микросхемы можно выполнять типовые задачи. Это возможно благодаря множеству компонентов: резисторов, транзисторов, конденсаторов, диодов. При этом производится преобразование различных типов сигналов (аналоговых, цифровых) за счет проведения электрических импульсов по цепи, их усиления и переключения. Выглядит это как своеобразная сеть дорог: сигнал идет по одному пути, потом сворачивает или размножается, преобразовывается и в конце приходит в заданную точку либо исчезает. При этом каждый контакт на микросхеме — это вывод, который может быть как соединением с другим устройством, так и служить заземлением, питанием, обеспечивать ввод данных.

Рассмотрим принцип работы микросхемы, разберемся в различиях основных типов, узнаем, какие компоненты нужны для работы.

История

Сложно сказать, кто создал первую микросхему. Разработки параллельно проводили несколько ученых. В 1958 году Джек Килби представил прототип. Он сделал полоску из германия размером 11 × 1,5 мм, на которой располагался один транзистор, пара резисторов и конденсатор. Принцип работы был основан на p-n-переходах.

Позже Роберт Нойс придумал взять в качестве основного материала кремний. В итоге в 1961 году вышел первый чип на нем. Позже запустили серийное производство микросхем различной мощности: в 1966 году — средней (до 1000 элементов), в 1969 году — большой (до 10 000 элементов), в 1975 году — сверхбольшой (свыше 10 000 элементов) на одном кристалле.

Компоненты микросхем

Простыми словами микросхема — это набор компонентов, которые выполняют различные функции, при этом они объединены в общую схему. В микросхему входят резисторы, транзисторы, конденсаторы, контакты для подключения, диоды и многое другое.

Транзисторы

Это основные полупроводниковые элементы, которые помогают в создании логических цепочек. У транзистора есть 3 вывода, которые и обеспечивают работу:

• база, куда подается сигнал;
• коллектор, который усиливает сигнал;
• эмиттер — проводник схемы.

Это блоки, на которых строится работа: усиление или преобразование электрического сигнала.

Конденсаторы

Эти устройства накапливают и хранят электрический заряд. По типу похожи на аккумуляторные батареи. Но конденсаторы отдают заряд единовременно, а не постепенно. Их применяют также для фильтрации шумов, создания задержек, минимизации пульсаций, разделения сигнала.

Основная характеристика — емкость: величина заряда, которую они могут принять и хранить. Состоит конденсатор из двух пластин, между которыми расположен диэлектрик. У устройства две ножки.

Резисторы

Пассивные элементы микросхем. Резисторы отвечают за разграничение и поглощение потока тока. Они обеспечивают преобразование силы электрического тока в напряжение.

Конструкция резистора — это элемент, на котором по одной ножке с двух сторон. Основные параметры устройства — сопротивление, мощность рассеивания, точность.

Диоды

Компоненты, которые пропускают ток в одном направлении и блокируют его прохождение в другую сторону. Состоят из проводников N и P типа. Диоды обеспечивают защиту от обратной полярности, стабилизируют подаваемый ток в электрических цепочках, где используют контроль подачи электричества в определенном направлении.

Диоды могут различаться формой и расположением выводов. Есть модели, которые по виду похожи на резисторы.

Микроконтроллеры

Схемы, в которых в единое целое объединены память, периферийные устройства (таймеры, генераторы импульсов и т. д.), процессор. Похожи на устройство микросхемы. Их основная цель — управление процессами.

Различаются между собой скоростью обработки данных, объемом памяти. Принцип работы основан на считывании сигналов и формировании за счет этого кода программы. В микроконтроллер записывают базовый набор команд, который он понимает и выполняет.

Производство микросхем

Производственный процесс чипов требует высокой точности и стерильности. Для изготовления одной микросхемы необходимо около сотни операций.

Вне зависимости от типа микросхемы процесс производства состоит из следующих последовательных операций:

1. Изготовление подложки (кристалла). Кремниевую пластину полируют до зеркального блеска, устраняют любые микроскопические дефекты.
2. Окисление. Под температурой около 1000°С на пластину воздействуют кислородом, чтобы получить прочную пленку. Ее толщина задается технологическими требованиями. Чем дольше воздействие и выше температура, тем толще пленка.
3. Фотолитография. На пластину наносят фоточувствительный слой. Это позволяет перенести на чип необходимое изображение.
4. Облучение. Пластину засвечивают. Через маску (трафарет) проходит световой поток, чтобы отобразить необходимые дорожки, места расположения компонентов.
5. Гравировка. Позволяет сформировать геометрию подложки, определить форму элементов микросхемы. Область, которая не реагирует на световой поток (прозрачный участок), удаляется вместе со слоями специальными химикатами. По сути, это травление пластины.
6. Эпитаксия. Формирование готовой модели пластины. Последовательно образуются несколько слоев диоксида кремния благодаря естественному окислению. Этот этап требует ювелирной точности, так как важно точное повторение рисунка. Любая ошибка приведет к сбою в работе.
7. Металлизация. Чтобы обеспечить соединение элементов микросхемы, наносят слой алюминия, никеля или золота. Это позволяет получить проводящие пленки.
8. Проверка. Микросхему тестируют на выявление брака, потребление электроэнергии и степень нагрева.
9. Формирование чипа. Кремниевую пластину разрезают на 100–150 микросхем. Каждую помещают в отдельный корпус для защиты от повреждений, обеспечения отвода тепла.

При производстве пластины перемещают роботы. Сам чип находится в герметичном контейнере. Это исключает нарушение стерильности.

Принципы работы микросхем

Рассмотрим, как устроена и работает микросхема.

В основе лежит обработка электрических сигналов и проведение логических операций. Возможность работы в аналоговом или цифровом режимах определяет перечень обрабатываемой информации. При этом сигналы поступают по дорожкам на печатной плате.

По сути происходит обработка коротких импульсов в соответствии с задачей микросхемы. Длина сигналов фиксируется в диапазоне нано- или микросекунд. Это позволяет обрабатывать большое количество команд за единицу времени. Запись кодов обработки импульсов прописывается в микросхему на этапе производства.

Разберем основные характеристики микросхем.

Аналоговые

Чипы обрабатывают непрерывные сигналы, которые могут принимать различные значения в определенном диапазоне. Схемы производят усиление импульса, фильтрацию.

К ключевым элементам относят конденсаторы и резисторы. Подбор компонентов способствует накоплению заряда, его ограничению. Это обеспечивает фильтрацию и передачу данных.

Цифровые

Такие микросхемы обрабатывают непрерывные сигналы с дискретными значениями 0 и 1. Это определяет напряжение тока — есть или нет. При этом команды чипа строго определены и заносятся в память на этапе производства.

АЦП (аналого-цифровой преобразователь)

Это чипы, которые преобразуют аналоговый сигнал в цифровой: переводят физическую величину в цифры. Такой подход используют в измерительных приборах, когда надо показать величину напряжения, мощности. Суть работы проста: в зависимости от разрядности схемы входящий аналоговый сигнал разбивается на значения, затем считывается информация.

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)

Этот чип переводит числа (цифровые данные) в аналоговый сигнал. Пример таких систем — управление двигателями. В основе работы лежит анализ и обработка импульсов по математическим алгоритмам.

По сути цифровой сигнал разбивается на отдельные части (сэмплы). Затем каждый кусочек преобразуется на основе интерполяции (если совсем просто, то вычисления среднего арифметического) в аналоговый сигнал. В конце производится фильтрация, очистка от шумов и «склеивание» данных.

Поломки микросхем

Основные неисправности возникают из-за:

• Сбоев. Это короткие замыкания, тепловые пробои, статическое электричество. В микросхемах есть защита от перепадов напряжения, но иногда она не срабатывает. Тогда происходит моментальный нагрев и повреждение p-n-переходов. Явные признаки — отверстия, следы гари, повреждение дорожек. Неявные — отказ от запуска при статическом разряде.

Например, при ремонте ноутбука отключили питание из розетки, но забыли вытащить аккумулятор. Если в этот момент дотронуться до платы металлическим предметом, то произойдет замыкание, которое может «убить» устройство.

• Влаги. Провоцирует короткое замыкание, коррозию.
• Физического воздействия. Чип очень хрупкий, поэтому любое давление может вызвать микротрещины. Еще одна опасность — отвал контакта от схемы, его повреждение при неосторожном обращении.

Вторичная причина — нагрев чипа. Но он может происходить из-за прохождения большого тока через неисправную деталь.

Микросхема — небольшой чип, но за счет него обеспечивается передача, обработка электрических импульсов, логический расчет значений и многие другие операции. Функциональное назначение зависит от сферы применения. Это определяет наполнение: сколько внутри транзисторов, конденсаторов, резисторов и прочих элементов.