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.

Рекомендуем по этой теме:
3689
Тезаурус: электроника

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. 

Рекомендуем по этой теме:
17181
Космическая электроника

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.