Μικροηλεκτρονική

Μικροηλεκτρονική

Μικροηλεκτρονική καλείται ο κλάδος της Ηλεκτρονικής Τεχνολογίας που εφαρμόζει τις θεωρίες, τις τεχνικές και τις πρακτικές μεθόδους των Εφαρμοσμένων Φυσικών επιστημών για να κατασκευάσει μικροηλεκτρονικές διατάξεις, αναλογικά κυκλώματα, συζευκτικά και ακολουθιακά ηλεκτρονικά ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI-Very Large Scale of Integration) καθώς και αρχιτεκτονικές υπολογιστικών διατάξεων όπως ενισχυτές (διαφορικοί, τελεστικοί ενισχυτές σήματος), αθροιστές και ημιαθροιστές, πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες, κωδικοποιητές και αποκωδικοποιητές, μνήμες, μανταλωτές, αριθμητικές και λογικές μονάδες, καταχωρητές, ενταμιευτές, μικροεπεξεργαστές, μικροελεγκτές και αισθητήρες. Ιδιαίτερη κατηγορία μικροηλεκτρονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που αποτελούνται από τον συνδυασμό των παραπάνω ηλεκτρονικών στοιχείων, ενισχυτών και αισθητηριακών διατάξεων είναι τα μικροκυκλώματα αισθητήρων με μηχατρονικές, βιοϊατρικές και μεγάλης κλίμακας βιομηχανικές εφαρμογές αυτόματου ελέγχου.

Οι Μηχανικοί της Μικροηλεκτρονικής αναπτύσσουν κατάλληλες μεθόδους για την σύνθεση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων όπως δίοδοι (δίοδοι Zener) και τρανζίστορ (FET, BJT, SET), και τα διασυνδέουν κατάλληλα πάνω σε μια ψηφίδα (chip) και πλακέτα (board) μικροηλεκτρονικού κυκλώματος (υπομικρονικής κλίμακας τεχνολογία). Η τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων βασίζεται στην σύζευξη ημιαγωγού-οξειδίου μετάλλου (Metal Oxide Semiconductor-MOS). Η Μικροηλεκτρονική έχει καταφέρει να συνδυάσει τα στοιχεία MOS σε μικροψηφίδες (microchips) με συμπληρωματικό τρόπο (συμπληρωματική σύζευξη μεταξύ τους) κι έτσι τα γνωστά λογικά κυκλωματα των συμπληρωματικών ημιαγωγών μετάλλου-οξειδίου (MOS), τα λεγόμενα CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductors). Οι λογικές μικροψηφίδες των τρανζίστορ, οι αγωγοί, οι μονωτές, τα ηλεκτρονικά στοιχεία των διόδων, οι πυκνωτές και οι αντιστάτες, συνθέτουν όλα μαζί μια ενιαία ηλεκτρονική διάταξη ολοκλήρωσης που απαντάται σε κάθε είδος ψηφιακής ηλεκτρονικής συσκευής στις μέρες μας: το Ολοκληρωμένο Κύκλωμα (IC-Integrated Circuit). Tα στοιχεία CMOS αποτελούν τα θεμελιώδη στοιχεία της σύγχρονης τεχνολογίας IC-VLSI, της κατεξοχήν διεδεδομένης Μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας που απαντάται στο εμπόριο μέσω των υπολογιστών, των ψηφιακών καμερών, των smartphones, τηλεοράσεων, αισθητήρων και άλλων gadgets που χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητά μας. Tα σύγχρονα μικροηλεκτρονικά κυκλώματα και διατάξεις που κυκλοφορούν στο εμπόριο κατασκευάζονται με την τεχνολογία τεμαχιδίων ή αλλιώς παράλληλης κατασκευής (batch fabrication) Η Μικροηλεκτρονική δανείζεται θεωρίες και πρακτικές από διάφορες άλλες Φυσικές Επιστήμες όπως η Φυσική Στερεάς Κατάστασης, η Ηλεκτρονική Φυσική, η Επιστήμη Υλικών, η Φυσική Ημιαγωγών, η Φωτονική, η Φυσική Υπεραγωγών και η Φυσική Συμπυκνωμένης Ύλης. Οι τεχνικές που χρησιμοποιεί αποτελούν εφαρμογές της Λιθογραφίας και της Εγχάραξης Ημιαγώγιμων Επιφανειών για την κατασκευή λογικών πυλών συζευκτικών κυκλωμάτων (πύλες AND, NAND, NOT- λογικός αντιστροφέας, OR, NOR, XOR, XNOR) και ακολουθιακών κυκλωμάτων όπως τα Flip-Flop, της Ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και της Μικροσκοπίας σήραγγας, της Επιταξίας (χημικής, αέριας, laser), και της Τεχνολογίας Surface Mount Technology (SMT) για την διασύνδεση και το πακετάρισμα των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων (πυκνωτές, διόδους, τρανζίστορς) επάνω στην επιφάνεια της εκάστοτε ηλεκτρονικής πλακέτας.


 

Ιστορία

Η Μικροηλεκτρονική αναπτύχθηκε με την κατασκευή των πρώτων τρανζίστορ, το 1928, στη Γερμανία, όπου έχουμε και την πρώτη κατοχύρωση πατέντας για σύνθεση και περιγραφή του τρανζίστορ από τον Γιούλιους Έντγκαρ Λιλινφελντ (Julius Edgar Lilienfeld). Το 1934 ο Γερμανός φυσικός Όσκαρ Χάϊλ (Oskar Heil) κατοχύρωσε την ευρεσιτεχνία για το Tρανζίστορ Eπίδρασης Πεδίου (Field Effect). Αυτή η εργασία των Λιλινφελντ και Χάϊλ ακολούθησε τις προσπάθειες τους κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου να παρασκευάσουν γερμάνιο υψηλής καθαρότητας, που είχε χρησιμοποιηθεί ως στοιχείο του δέκτη μικροκυμάτων στο ραντάρ. Η προηγούμενη τεχνολογία που βασιζόταν σε λυχνίες δεν προσέφερε αρκετά ταχεία εναλλαγή για να εξυπηρετήσει επαρκώς αυτή τη λειτουργία. Έτσι, η ομάδα των παραπάνω ερευνητών χρησιμοποίησε διόδους στερεάς κατάστασης. Με τις γνώσεις που απέκτησαν από αυτές, προσπάθησαν να κατασκευάσουν μία τρίοδο, πράγμα που αρχικά αποδείχθηκε δύσκολο. To 1948, στα Εργαστήρια Bell των ΗΠΑ, η ομάδα Φυσικών Στερεάς Κατάστασης Γιουίλιαμ Σόκλεϋ (William Shockley) όπου ήταν ο επικεφαλής, Τζον Μπαρντήν (John Bardeen) και Ουώλτερ Μπρατέην (Walter Brattain), συνεπικουρούμενοι από τους Τζέραλντ Πήρσον (Gerald Pearson-Φυσικός), τον Χημικό Ρόμπερτ Γκίμπνεϋ (Robert Gibney) και τον Ηλεκτρονικό Μηχανικό Χίλμπερτ Μουρ (Hilbert Moore), κατασκεύασαν το πρώτο τρανζίστορ.

Το 1958 ο Τζακ Κίλμπυ, ερευνητής της εταιρίας Texas Instrument, ερευνώντας πυρετωδώς τρόπους για τη σμίκρυνση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων εφηύρε το Ολοκληρωμένο Κύκλωμα, εφεύρεση για την οποία βραβεύθηκε με βραβείο Νόμπελ φυσικής το 2000. Η ιδέα του ήταν να δημιουργούνται τα στοιχεία του κυκλώματος πάνω σε ένα φύλλο ημιαγωγού με μηχανοποιημένο και συστηματικό τρόπο, αντί να συνδέονται και να τοποθετούνται τα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος με το χέρι. Η δημιουργία των στοιχείων γίνεται με νοθεύσεις άλλων στοιχείων και επιστρώσεις.

Η τεχνογνωσία για τη μαζική παραγωγή Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων ήταν ακόμη ελλιπής, υπήρχαν διάφορα πρακτικά προβλήματα, όπως η σύνδεση των στοιχείων του Ολοκληρωμένου Κυκλώματος. Ο Ρόμπερτ Νόις έλυσε αυτά τα προβλήματα, όπως την εφεύρεση μιας μεθόδου για τη μηχανοποιημένη προσθήκη μικρών μεταλλικών καλωδίων πάνω στους κύβους. Έτσι, ξεκίνησε η μαζική παραγωγή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ο Νόις συνίδρυσε την Intel, μια από τις πιο σημαντικές κατασκευάστριες Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων στον κόσμο.


 

Διαφορές Ψηφιακών και Αναλογικών Κυκλωμάτων

Τα Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα (ICs) αποτελούνται κυρίως από τρανζίστορ. Τα Αναλογικά Κυκλώματα συνήθως περιέχουν αντιστάτες, πυκνωτές, καθώς και πηνία, τα οποία χρησιμοποιούνται σε ορισμένες διατάξεις αναλογικών κυκλωμάτων υψηλών συχνοτήτων, αλλά τείνουν να καταλαμβάνουν μεγάλο χώρο εντός της ψηφίδας (τσιπ) όταν χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση και παραγωγή χαμηλών συχνοτήτων. Για να λυθεί το πρόβλημα των χαμηλών συχνοτήτων στα Αναλογικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα, οι gyratorsμπορούν να αντικαταστήσουν τα πηνία σε πολλές και διάφορες εφαρμογές.


 

 

 

πηγή.

About The Author

Related posts