mikroelektronika
 
Encyklopedia PWN
mikroelektronika
[gr.],
elektron. dziedzina nauki i techniki zajmująca się zminiaturyzowanymi układami elektronicznymi realizowanymi całkowicie w postaci scalonej (układ scalony), niekiedy z udziałem elementów (przyrządów) dyskretnych (dyskretny przyrząd).
Powstanie m. wiąże się z wynalezieniem 1958 przez J.S. Kilby’ego układów scalonych i rozpoczęciem niedługo potem ich przem. wielkoseryjnej produkcji, m.in. układów logicznych: RTL (1960), ECL (1962), TTL (1964); istotne momenty w rozwoju m. wyznaczają opracowania: wzmacniacza operacyjnego (1965), pamięci ROM 64 bit (1967), mikroprocesora (1971), mikrokomputera jednoukładowego (1976), układów ASIC (lata 70. XX w.), pamięci DRAM 256 Mbit, mikrosystemów krzemowych (pocz. lat 90. XX w.).
W ciągu ponad 40 lat pojęcie „mikroelektronika” przeszło znaczną ewolucję. Początkowo swym znaczeniem obejmowało zagadnienia dotyczące zarówno mikrominiaturowych układów elektronicznych, tzw. mikro- i minimodułów, złożonych z elementów dyskretnych, jak i z układów scalonych; współcześnie obejmuje zespół zagadnień fiz. i technol.-konstrukcyjnych związanych z analizą, badaniem właściwości, projektowaniem, wytwarzaniem i zastosowaniem układów scalonych.
Rozwój m. stymuluje dążenie do poprawy niezawodności i właściwości funkcjonalnych urządzeń elektronicznych przy jednoczesnym obniżeniu kosztów ich wytwarzania poprzez automatyzację produkcji i mniejsze zużycie materiałów, a także zmniejszenie objętości i masy tych urządzeń. Podstawową metodą realizacji tych celów jest coraz większe scalanie elementów i funkcji układów elektronicznych. Uzyskiwanie coraz większego stopnia scalenia jest możliwe dzięki postępowi w technologii otrzymywania układów scalonych, do czego przyczyniają się osiągnięcia fizyki ciała stałego, a zwłaszcza fizyki półprzewodników, a także postępy w otrzymywaniu superczystych materiałów o pożądanej strukturze krystalograficznej i odpowiedniej koncentracji celowo wprowadzonych domieszek; 2002 na płytce półprzewodnika o pow. 200–300 mm2 umieszczono ok. 55 mln elementów. Dalszy rozwój m. zmierza też do wykorzystania zjawisk fiz. zachodzących w materiałach pod wpływem różnorodnych czynników (pola elektromagnetycznego, fal akustycznych, temperatury i in.), co wiąże się z poszukiwaniem nowych materiałów, opracowywaniem technologii ich otrzymywania oraz nowych konstrukcji elementów.
Obecnie dominującą technologią wytwarzania układów scalonych jest technologia CMOS (stale doskonalona), duże nadzieje wiąże się z technologią SOI (ang. Silicon on Insulator). Wzrost gęstości upakowania elementów w układzie scalonym z reguły wiąże się ze zmniejszeniem wymiarów tych elementów; obecnie (2009) najmniejsze wymiary poziome elementów zawartych w strukturze scalonej osiągają wartość 45 nm (minim. rozmiar linii odwzorowywanego obiektu, tzw. wymiar charakterystyczny, jest związany z zastosowanym procesem litografii); odpowiednio mniejszy jest też zwykle wymiar elementów w głąb struktury. Elementami (przyrządami) o wymiarach nanometrowych zajmuje się nanoelektronika, w której zakres wchodzi również elektronika molekularna, wykorzystująca zjawiska elektronowe zachodzące w pojedynczych cząsteczkach.
Podstawowym materiałem do produkcji układów scalonych jeszcze przez wiele lat pozostanie zapewne krzem, trwają jednak prace nad zastosowaniem innych materiałów półprzewodnikowych, gł. arsenku galu (GaAs), fosforku indu (InP), krzemogermanu (SiGe) i węglika krzemu (SiC), których właściwości umożliwiają zwiększenie szybkości działania układów scalonych; układy te są jednak na razie dużo droższe niż krzemowe. Prowadzi się badania nad otrzymywaniem materiałów nadprzewodzących i elementów wykorzystujących zjawisko Josephsona (nadprzewodnictwo); układy scalone wykorzystujące zjawisko Josephsona mają dużą szybkość działania (wielokrotnie większą niż krzemowe układy monolityczne), niski poziom szumów i niezwykle małe straty mocy, są jednak jak dotąd wytwarzane tylko na skalę laboratoryjną; ich otrzymywanie i stosowanie na większą skalę utrudnia fakt, że podczas pracy muszą być utrzymywane w niskich temperaturach.
Z rozwojem m. są związane ogromne przemiany w dziedzinie techniki i gospodarki, a także przemiany społeczne. Produkcja urządzeń staje się tańsza, pobierają one coraz mniej energii, szybciej pracują i mają coraz mniejsze rozmiary. Urządzeniami, których realizacja była możliwa dzięki m., są m.in.: kalkulatory kieszonkowe, zegarki elektroniczne wielofunkcyjne, komputery osobiste, palmtopy, urządzenia CD i DVD, kamwidy, telefony komórkowe, wideotelefony, inteligentne karty elektroniczne.
Mirosław Rusek
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia