Классификация материалов электронной техники и их применение в различные периоды развития электроники

В течение второго периода развития электроники остро обозначилась тенденция к миниатюризации элементов электронных схем: ламп, конденсаторов и др. Однако, реальные технические характеристики: потребляемая мощность, срок службы, габариты, надежность электронных ламп приближались к их теоретическим пределам, которые препятствовали дальнейшему прогрессу. Прежде всего, это препятствовало прогрессу в области создания быстродействующих компактных ЭВМ и электронного оборудования для авиации и космонавтики.

Таким образом, без принципиально новых решений развитие электроники могло бы завершиться к началу 60-х годов ХХ века. Но такие решения начали созревать уже в ходе второго периода и еще за 10 лет до его окончания положили начало третьего периода.

Третий период (1950-1970 г.г.) ознаменовался изобретением транзистора – являющегося полупроводниковым прибором, способным выполнять функции электронной лампы. Поэтому с него началась эра полупроводниковых приборов. Транзистор имел значительно меньшие габариты, существенно более низкое энергопотребление, более высокую надежность, больший срок службы, мог эксплуатироваться в более жестких условиях и был сравнительно дешевым.

Благодаря этим качествам транзистора начали воплощаться в реальные устройства идеи и разработки по производству компактных ЭВМ. Стало возможным создание сложных бортовых авиационных и космических электронных устройств.

Аппаратура эры дискретных полупроводниковых приборов – это аппаратура третьего поколения.

Наряду с транзисторами она содержала полупроводниковые резисторы, конденсаторы, диоды и другие дискретные полупроводниковые приборы.

Т.о., этот период характеризуется качественным пополнением ассортимента материалов электронной техники - полупроводниками.

Вместе с тем, еще на стыке второго и третьего периодов развития электроники возникла проблема качества сборочно-монтажных работ по обеспечению производства работоспособной и надежной радиоэлектронной аппаратуры, содержащей тысячи дискретных элементов, которая получила образное название «тирания количества». Необходимость решения проблемы межсоединений для такой аппаратуры, привела к созданию интегральных микросхем (ИМС), что в дальнейшем оказалось особо актуальным в связи с разработкой ЭВМ на основе полупроводниковой элементной базы, содержащих более 100 тысяч диодов и 25 тысяч транзисторов.

Таким образом, в рамках третьего периода развития электроники начал зарождаться четвертый, получивший в дальнейшем название «Микроэлектроника».

При этом практически одновременно в начале 50-х годов ХХ века возникло 3 конструктивно-технологических варианта ИМС:

1) толстопленочные гибридные интегральные схемы (ГИС);

2) тонкопленочные ГИС;

3) полупроводниковые ИМС.

В основу изготовления ГИС были положены толсто- и тонкопленочные технологии изготовления конденсаторов, резисторов и проводящих дорожек межсоединений на гладких диэлектрических подложках. Такие пленочные пассивные элементы объединялись пленочными межсоединениями в пассивные RC-схемы, а активные полупроводниковые элементы добавлялись к этим схемам в качестве навесных компонентов.

Помимо решения проблемы межсоединений элементов в радиоэлектронной аппаратуре такие ГИС обеспечивали значительно меньшие габариты, массу и в целом – сниженную материалоемкость аппаратуры.

Однако, особенно перспективными во всех отношениях оказались полупроводниковые ИМС, принципиальная разработка которых состоялась к 1959 году.

Их изготовление основано на использовании планарной технологии, обеспечивающей создание в едином цикле в приповерхностной области полупроводникового кристалла большого количества пассивных и активных элементов, объединенных в твердотельную монолитную схему с наперед заданными функциональными характеристиками.

Современное понимание термина «полупроводниковая интегральная микросхема» отражает:

1) конструктивную интеграцию ‑ объединение значительного числа транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и соединяющих проводников в единую конструкцию на поверхности полупроводникового кристалла;

2) схемотехническую интеграцию – выполнение схемой функций преобразования информации, более сложных по сравнению с функциями отдельных элементов;

3) технологическую интеграцию – выполнение в едином технологическом цикле одновременно всех элементом схемы вместе с их межсоединениями и одновременное формирование групповым методом большого числа одинаковых ИМС.

В 60-е – 70-е годы ХХ века происходил чрезвычайно быстрый рост сложности ИМС – от ИМС, содержащих десятки элементов, до БИС, содержащих десятки тысяч элементов на кристалле площадью порядка 1см². Естественно, что это сопровождалось существенным снижением планарных размеров отдельных элементов ИМС от десятков до единиц микрометров.

Поэтому подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов, имеющих характерные элементы с геометрическими размерами порядка нескольких микрометров и меньше, получил название микроэлектроника.

Период микроэлектроники, который интенсивно развивается с 1970 года по настоящее время, является четвертым периодом развития электроники.

Интегральные микросхемы служат элементной базой, на основе которой возможно эффективно осуществлять комплексную микроминиатюризацию электронной аппаратуры различного назначения. В частности, это материальная база индустрии информатики.

Результатом комплексной микроминиатюризации электронной аппаратуры (вычислительной техники, приемо-передающей аппаратуры, устройств автоматики) являются перманентное:

1) уменьшение ее габаритов, массы, энергопотребления, материалоемкости, стоимости;

2) увеличение объема выполняемых функций;

3) повышение надежности и долговечности;

4) расширение масштабов производства.

Электронная аппаратура четвертого периода развития электроники – это аппаратура эры интегральных микросхем.

Дальнейшее качественно новое направление электроники и ее прикладных аспектов, стартовавшее примерно 40 лет назад и интенсивно развивающееся с 1980 года по настоящее время в рамках пятого периода, называется наноэлектроникой, которая в значительной мере базируется на достижениях квантовой физики и современных нанотехнологий.

Наноэлектроника — это область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания приборов и устройств с характерными топологическими размерами компонентов менее 100 нанометров. Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

19 апреля 1965 года — американский физик, один из будущих основателей компании Intel Гордон Мур поделился наблюдениями за тем, как увеличивается число транзисторов в микропроцессорах. Оглядываясь на свой к тому времени уже десятилетний опыт работы в сфере микроэлектроники, Мур заметил, что плотность транзисторов на кристалле (например, квадратном сантиметре кремниевого монокристалла) удваивалась примерно каждые 18-24 месяца. То есть, каждые полтора ‑ два года происходил качественный скачок на пути получения более мощных микросхем с одновременным понижением их себестоимости. Поначалу, как всякое наблюдение, эта закономерность считалась эмпирическим правилом. Однако с тех пор время и гигантские темпы развития полупроводниковой отрасли превратили правило Мура в закон и сделали его основополагающим принципом в этой сфере (Табл. 1; Рис. 1)

Таблица 1 – Эволюция полупроводниковых микросхем и процессоров в рамках пятого периода развития электроники

Рисунок 1 – График, иллюстрирующий соответствие реальных темпов роста числа транзисторов в микропроцессорах закону Мура на протяжении 40 лет развития микроэлектроники

В 2011-2012 годах на стадии научно-исследовательской опытно-конструкторской разработки (НИОКР) находился технологический процесс 18-22 нм, на стадии научно-исследовательской разработки (НИР) – технологический процесс 10-14 нм.

В 2013 году Intel рассчитывала начать выпуск процессоров Atom по 22-нанометровой технологии, а в 2014 году пришла очередь 14-нанометровой технологии. Сейчас наиболее современные процессоры изготавливаются по 14-нм технологии, такие чипы предлагает, например, Intel. Ведутся работы и в плане разработки производства процессоров по 10-нм техпроцессу, именно его собираются использовать Intel и Samsung.

Вместе с тем, в июле 2015 года корпорация IBM анонсировала результаты проекта по разработке новых технологий производства процессоров, благодаря чему стало возможным создать 7 нм чипы. Специалисты компании на презентации продемонстрировали рабочие прототипы 7 нм процессоров. При этом один процессор, изготовленный по 7 нм техпроцессу, будет содержать около 20 млрд транзисторов. Это в четыре раза больше, чем у одного из наиболее продвинутых коммерческих процессоров современности — 18-ядерного Intel Xeon Haswell-EP, который содержит около 5,56 млрд транзисторов. Стоит отметить, что для размещения одинакового количества транзисторов каждому новому поколению процессоров требуется примерно на 50% меньше площади. Однако, 7 нм процессоры находятся еще в стадии исследований, а поэтому эти чипы еще не готовы для коммерческого использования.

Однако, принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

Таким образом, уже свыше 50 лет полупроводниковые материалы существеннейшим образом определяют уровень развития электронной техники, а следовательно и научно-технический уровень государства. Поэтому необходимость обеспечения дальнейшего прогресса в области электроники и фотоэлектрической энергетики требует подготовки высокопрофессиональных кадров для решения научных и прикладных задач полупроводникового материаловедения.

Примечание: Дополнительная обстоятельная информация по этой теме содержится в прилагаемом pdf-файле «Физ. основы микроэлектроники – книга»: страницы 5-27.