Эссе по теме Основные этапы развития микроэлектроники. Эссе_Электронника. Основные этапы развития микроэлектроники по дисциплине
 Скачать 23.92 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»  Институт электронного обучения 15.03.01 «Электроэнергетика и электротехника» Эссе по теме Основные этапы развития микроэлектроники по дисциплине: Электроника 1.1
Томск – 2018 1.Введение Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпа ми. Каждое из приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры. Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплекс ной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника. Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами во всех направлениях. В современной жизни любая техника, которой мы пользуемся, ежедневно наполнена микроэлектроникой. В настоящее время микроэлектроника перешла в стадию наноэлектроники. Развитие современных средств вычислительной техники, робототехники, аппаратуры цифровых коммуникаций основано на использовании достижений микроэлектроники в разработке и выпуске интегральных микросхем (ИМС), а также на широком применении микропроцессоров и микрокомпьютеров, создаваемых на базе больших и сверхбольших интегральных схем (БМС и СБИС). Более того, в процессе развития микроэлектроники было разработано немало специфических элементов, которые не только не имеют аналогов в обычной транзисторной схемотехнике, но и не могут быть даже смоделированы на дискретных компонентах. 2.Основные этапы развития микроэлектроники Современный этап развития цивилизации характерен бурным ростом электроники. Сейчас, пожалуй, трудно назвать другую область науки и техники в любой развитой стране мира, которая имела бы столь высокие темпы развития, как электроника. На современном этапе электроника ускоренными темпами развивается в обоих традиционных направле-ниях: приборном и аппаратурном. С одной стороны, идет развитие самой электронной техники: совершенствуются приборы, такие как диоды, транзисторы, другие электронные приборы и создаются их новые классы. С другой стороны, на базе новых электронных приборов разрабатываются и выпускаются новые виды электронной аппаратуры для разнообразных областей применения. Схематическое изображение основных этапов развития электроники представлено на рис.1.1. Однако наибольший интерес представляют некоторые особенности развития электроники. Во-первых, современный этап научно-технической революции характеризуется исключительно быстрым развитием сложной, основанной на новых принципах, электронной аппаратуры. В связи с этим традиционные методы ее дискретных элементов стали уже неприемлемы, поскольку они не могут обеспечить требуемую надежность, экономичность, энергоемкость, время изготовления и габаритные размеры. Необходимо было найти принципиально новые пути создания малогабаритной электронной аппаратуры. Эти требования и послужили причиной рождения нового научно-технического направления электроники – микроэлектроники. Микроэлектроника явилась качественным результатом непрерывной миниатюризации электронной аппаратуры, стандартизации и унификации ее отдельных частей. Еще в эпоху электровакуумной электроники предпринимались шаги для уменьшения габаритов элементов электронной аппаратуры и создания конструктивно законченных унифицированных фунциональных узлов. Под последними понимают группы электронных элементов, способных выполнять определенные функции обработки сигналов: усиление, формирование, преобразование, генерирование и т.п. Такие конструктивно законченные узлы приобрели наименование модулей. Транзисторная техника предоставила дополнительные возможности для работ в указанном направлении. Первоначально при изготовлении модулей использовались обычные дискретные транзисторы, диоды и пассивные элементы. В дальнейшем оказался возможным переход к микроминиатюризации узлов электронной аппаратуры, когда для создания модулей использовались специальные детали: бескорпусные транзисторы и диоды, а также малогабаритные пассивные элементы – микродетали. В одном из конструктивных вариантов для каждого или нескольких микроэлементов предназначалась отдельная небольшая керамическая плата со стандартным расположением выводов по ее торцам. Этажерочный набор таких плат с электрическими соединениями отдельных элементов между собой вдоль их торцов давал возможность изготовлять функциональные узлы в виде небольших прямоугольных параллелепипедов (кубиков), названных этажерочными микромодулями. В другом варианте все детали или микродетали данного функционального узла собирались на одной изоляционной плате со стандартными размерами – плоском модуле или микромодуле. Уменьшение габаритов и веса электронных устройств на основе транзисторов не привело к существенному изменению их функциональных возможностей, однако значительно увеличило потребительский спрос на транзисторную радиоаппаратуру. На примере транзисторных радиоприемников ясно прослеживается тот факт, что изобретение транзистора в сильной степени способствовало миниатюризации электронных устройств, ранее изготовлявшихся на вакуумных электронных лампах. Это был первый шаг в направлении миниатюризации электронных устройств. Замена ламп транзисторами не привела к миниатюризации телевизоров, поскольку их габариты определяются размерами электронно-лучевых трубок. За исключением телевизоров специального применения, транзисторные телевизоры не претерпели уменьшения габаритов подобно транзисторным радиоприемникам. Однако транзисторы позволили значительно уменьшить потребляемую мощность. Это привело к уменьшению тепловыделения внутри телевизионных приемников и, следовательно, к повышению их надежности. С особым нетерпением появления транзистора ждали вычислительной технике и в электронной аппаратуре самолетов и других летательных аппаратов. В 1947 г. в США была создана первая электронная вычислительная машина. Оценивая развитие ЭВМ, многие ученые рисовали весьма мрачные перспективы. Сколько ламп должна содержать ЭВМ? Первые большие машины (например, БЭСМ) имели около 5–6 тысяч ламп. Практика и расчеты показали, что этого явно недостаточно и что число ламп необходимо довести хотя бы до 10–15 тысяч. ЭВМ при этом превратилась бы в громоздкое сооружение, занимающее помещение площадью в несколько сотен квадратных метров и набитое электронными лампами. Но главной проблемой была проблема надежности. Электронные лампы того времени имели срок службы порядка 500–1000 ч. За это время выходило из строя не менее 2% работающих ламп Например, в ЭВМ "Урал" находилось примерно 1000 ламп, за 1000 ч выходило из строя около 20 ламп. Таким образом, среднее время безотказной работы ЭВМ составляло 50 ч. При 10 000 ламп среднее время безотказной работы должно сократиться до 5 ч. В среднем каждые 5 ч надо будет искать вышедшую из строя лампу (среди 10 000!), заменять ее и проверять ЭВМ с помощью контрольной программы. Огромное значение для бортового оборудования имеют его размеры, масса, количество потребляемой энергии. Каждый лишний килограмм увеличивает полетную массу самолета приблизительно на 5 кг, а массу ракеты – на 40–50 кг! Это происходит из-за необходимости брать дополнительный запас горючего, усиливать конструкцию. Миниатюризация и повышение надежности транзисторных устройств явились большим шагом вперед на пути совершенствования изделий электронной техники. Однако на определенном этапе стало невозможным решать новые задачи старыми средствами, на основе прежней элементной базы, какими стали транзисторы. Основными факторами, обусловившими смену элементной базы, явились ее надежность, габариты и масса, стоимость и мощность. Простой (хотя и нестрогий) расчет иллюстрирует причины перехода от транзисторной техники к микроэлектронике. Пусть требуется построить компактное электронное устройство, содержащее 108 компонентов. Если попытать-ся решить эту задачу, используя дискретные компоненты, характеризуемые средней мощностью 15 мВт, средним размером с учетом соединений 1 см3, средней массой 1 г и интенсивностью отказов (выхода из строя) 10-5ч-1, то результат будет следующий: рассеиваемая устройством мощность – 1,5 Мвт, габариты 100 м3, масса 100 т. Как видим, устройство получилось далеко не компактное. Оно потребляет огромную мощность. На весь монтаж потребуется при 2-сменной работе не менее 10 человеко-лет. Однако самый главный вывод состоит в том, что средняя частота отказов (10-5 х108) оказывается равной 103 ч-1, т.е. около 1 отказа за 3 с, что, конечно, говорит о неработоспособности устройства. Итак, в нашем примере техники оказалось невозможным. Ее можно решить только на качественно новой основе, используя новую элементную базу. И вот, в 1959 г. Дж. Килби и Р.Нойс независимо друг от друга подали заявки на изобретения, согласно которым на одном кристалле кремния строилась целая электронная схема. Сейчас такие схемы называются интегральными. Появление интегральных микросхем ознаменовало собой начало перехода от этапа транзисторной техники к новому этапу развития электроники – микроэлектронике. Следует подчеркнуть, что микроэлектроника и ее основополагающая идея – интеграция компонентов – зародилась в недрах дискретной транзисторной техники и впитала в себя ее прогрессивные методы и средства, например приемы планарной технологии. Создание ИС привело не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и уменьшения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменений, которые обусловили современную революцию в микроэлектронике. Так, появление электронных наручных часов произвело переворот в часовой промышленности. Наручные часы из продукции точного машиностроения перешли в сферу изделий электронной промышленности. Предприятия, которые в недалеком прошлом полностью занимались производством механических наручных часов, частично изменили структуру производства с учетом выпуска электронных часов. Аналогичным образом исчезли бытовые механические арифмометры, отошли на задний план такие простейшие вычислительные устройства, как счеты и логарифмические линейки. Кроме выполнения четырех арифметических действий (сложение, вычи-тание, умножение и деление) бытовые вычислительные устройства могут вычислять функции, программировать вычисления, памяти, что побудило называть их скорее не калькуляторами, а ЭВМ. Благодаря появлению портативных бытовых ЭВМ (персональных компьютеров) мы перестали пользоваться таблицами элементарных функций, такими, как таблицы квадратных корней, логарифмов, тригонометрических функций. Таким образом, микроэлектроника в настоящее время является «рабочей лошадкой» теорий вычисления и связи, а также основным компонентом бытовых товаров, что в определенном смысле способствует изменению нашего культурного уровня. 3.Заключение Становление и развитие микроэлектронной технологии обусловлено необходимостью создания сложных вычислительных и управляющих машин и систем, разветвленных систем связи, автоматических систем управления и различной радиоэлектронной аппаратуры. Современный этап развития радиотехники, электронной техники и техники связи характеризуется их взаимным проникновением и широким использованием практически во всех областях науки и техники, а также значительным усложнением требований и задач, решаемых радиоэлектронной аппаратурой. Микроэлектроника призвана решать проблемы уменьшения габаритов и массы электронной аппаратуры, повышения ее экономичности и надежности. Микроэлектроника - область электроники, связанная с исследованиями, конструированием, изготовлением и применением микроэлектронных изделий. Микроэлектронные изделия - это устройства и системы с высокой степенью интеграции. Микроэлектронная технология позволяет формировать сложные электронные узлы - интегральные схемы в микрообъемах твердого тела. Список используемой литературы Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов/ Ю.А.Бобровский, С.А.Корнилов, И.А.Кратиров и др.; Под ред. проф. Н.Д.Федорова. - М.: Радио и связь, 2008 г. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники.М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2007 г. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. - М.: Радио и связь, 1991г. - 288 с. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. - М.: Высшая школа, 2006. - 464 с | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||