Микроэлектроника представляет собой область физики и техники, изучающую принципы создания и функционирования электронных устройств с минимальными размерами элементов, вплоть до микро- и нанометрового масштаба. Основной целью микроэлектроники является разработка высокоплотных интегральных схем (ИС), обеспечивающих сложные функциональные возможности при малых энергопотреблении и габаритах.
Ключевым объектом микроэлектроники является полупроводниковый материал, чаще всего кремний. Свойства полупроводников — наличие запрещённой зоны и возможность легирования — позволяют создавать элементы с управляемой проводимостью, такие как диоды, биполярные транзисторы и полевые транзисторы.
Диод — это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, позволяющий току течь преимущественно в одном направлении. Ключевые характеристики диода:
Диоды применяются для выпрямления переменного тока, стабилизации напряжения (стабилитроны), детектирования сигналов и формирования логических элементов.
Биполярный транзистор состоит из трёх слоёв полупроводника с чередующимися типами проводимости: n-p-n или p-n-p. Основные параметры транзистора:
BJT используется для усиления сигналов и построения логических схем.
MOSFET — это транзистор с изолированным затвором, управляемый электрическим полем. Преимущества MOSFET:
MOSFET широко используется в цифровой электронике, микропроцессорах и памяти.
Интегральная схема — это совокупность множества электронных элементов, реализованных на одном кристалле полупроводника. Основные типы ИС:
Ключевой задачей при проектировании ИС является минимизация потерь энергии, управление тепловыми режимами и обеспечение надёжности, поскольку плотность элементов на кристалле возрастает многократно.
Процесс создания интегральных схем включает несколько этапов:
Кремний выращивается методом Чохральского или зонной плавки, после чего полученный монокристалл обрабатывается для формирования подложек.
С помощью светочувствительного слоя (фоторезиста) и маски на поверхность подложки наносятся контуры будущих элементов схемы. Этот процесс позволяет создавать линии шириной в доли микрона.
Для формирования областей n- и p-типа на кристалле внедряются примеси. Управление концентрацией и глубиной легирования позволяет точно регулировать электрические свойства транзисторов.
Металлические контакты и межсоединения осаждаются на поверхности, а лишний материал удаляется травлением. Применяются методы химического и плазменного травления.
После завершения технологического процесса каждый чип проходит проверку на работоспособность и электрические параметры, после чего интегральная схема помещается в корпус с контактами для внешнего подключения.
С уменьшением размеров транзисторов возникают новые физические явления:
Эти явления ограничивают скорость масштабирования, что стимулирует переход к новым материалам (например, GaN, SiC) и архитектурам (FinFET, GAAFET).
Состоят из элементов И-ИЛИ-НЕ, триггеров и мультиплексоров. Применяются в процессорах и цифровых контроллерах.
Обрабатывают непрерывные сигналы. Примеры: усилители, фильтры, источники опорного напряжения.
Сочетают цифровую и аналоговую обработку. Используются в системах связи, датчиках и мультимедийных устройствах.
Эти направления открывают возможности для дальнейшего увеличения функциональности и производительности микроэлектронных устройств при сохранении компактности и энергоэффективности.