Аппаратура эры интегральных микросхем - это аппаратура четвертого поколения.

Аппаратура четвертого поколения, созданная на базе интегральных микросхем, называется микроэлектронной аппаратурой (МЭА).

Термин « микроэлектроника » и другие аналогичные термины - «микрофон», « микросхема», « микросборка », «микрокалькулятор»,

«микропроцессор», «микро ЭВМ», «микро схемотехника» и даже «микро технология » - берут свое начало от термина «микроминиатюризация». Приставка « микро » в данном случае говорит только о тенденции, о стремлении создать электронные приборы и устройства, по своим размерам существенно отличающиеся в меньшую сторону от приборов и устройств в электронной аппаратуре первых трех поколений. На самом деле микроэлектронные приборы по существу остаются « макроприборами » в том смысле, что они велики по сравнению с объектами микромира- атомами и молекулами.

Таким образом зарождение и развитие микроэлектроники было связано с необходимостью создания малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры, снижения потребляемой ею мощности, повышения надежности.

Основной тенденцией развития интегральных микросхем является увеличение числа элементов на одном кристалле, т.е. повышение их функциональной сложности. Функциональную сложность микросхем принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (обычно транзисторов) на кристалле или в корпусе.

Степень интеграции микросхемы является показателем сложности ИМС, характеризуемым числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Степень интеграции определяется формулой k=lgN, где k- коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большего целого числа, a N - число элементов и компонентов, входящих в ИМС. В соответствии с этой формулой интегральной микросхемой первой степени интеграции называют ИМС, содержащую до 10 элементов и компонентов включительно. ИМС второй степени интеграции содержит от 11 до 100 элементов и компонентов включительно. Соответственно ИМС, имеющую в своем составе от 101 до 1000 элементов и компонентов включительно, называют ИМС третьей степени интеграции. Аналогично, ИМС, имеющие число элементов и компонентов от 1001 до 10000 или от 10001 до 100000, - это ИМС четвертой и пятой степени интеграции.

Для количественной характеристики степени интеграции часто используют и такие термины: если k < 1 ( т.е. N<10 ), то интегральную схему называют простой ИМС. если 1<k<2- средней ИМС ( СИСМ ), если 2<k<4 - большой интегральной схемой ( ВИС ), а если k>4 ( т.е. N> 10000 )- сверхбольшой интегральной схемой (СБИС ).

Кроме степени интеграции используют еще такой показатель, как плотность упаковки элементов, - количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время он составляет 500-1000 элементов на квадратный миллиметр и более.

Третий этап развития радиоэлектроники был эрой дискретных полупроводниковых приборов. На этом этапе развития произошла первая «транзисторная революция». Аппаратура эры дискретных полупроводниковых приборов – радиоэлектроника третьего поколения.

Современная микроэлектроника и полупроводниковая техника берет свое начало из опытов немецкого физика, члена Берлинской Академии наук Томаса И. Зеебека и члена Лондонского королевского общества и Петербургской Академии наук Майкла Фарадея. Первый в 1821 г. открыл явление термоэлектричества в паре медь - висмут и других с участием теллура. В 1833 г. М. Фарадей обнаружил, но не смог объяснить, почему сульфид серебра уменьшает свое электрическое сопротивление при нагревании. Известные в то время проводники электрического тока увеличивали свое электросопротивление с повышением температуры. Ученые того времени назвали такие проводники "плохими".

Прошло сорок лет. Уилоуби Смит открыл непонятное для ученых явление уменьшения сопротивления селена при его освещении светом. Год спустя член Берлинской Академии наук, лауреат Нобелевской премии Карл Ф. Браун обнаружил одностороннюю проводимость у некоторых сульфидов металлов. Его опыты по выпрямлению переменного тока в месте контакта свинца и пирита (минерал класса сульфидов) также объяснения не нашли. Зависимость тока от напряжения на контакте закону Ома не подчинялась.

Появились первые попытки практического использования полупроводников. В 1876 г. У. Адамсон и Р. Дей изготовили первый фотоэлемент с запорным слоем, генерирующий ток без помощи внешнего электрического источника. Параллельно продолжались новые исследования. Член национальной американской Академии Эдвин Г. Холл в 1879 г. открыл гальваномагнитный эффект в проводнике с током, помещенном в магнитное поле. Теоретики тех лет могли объяснить поведение электронов в металлах, но объяснить поведение проводящих полупроводников в магнитном поле они не могли.

Первым применением полупроводников в электросвязи был "фотофон", созданный изобретателем телефона А. Беллом. В нем звуковые волны вызывали колебания отраженного луча света. В качестве приемника излучения А. Белл использовал селеновый фотоэлемент, в котором в зависимости от интенсивности освещения генерировались звуковые колебания.

Ранним исследователям удалось выделить "плохие" проводники в один класс веществ и назвать их полупроводниками. К ним стали относить вещества, имеющие значения удельной проводимости в интервале от до 106 (0м-см)\ В те далекие годы исследователи полупроводников имели дело веществами, не существовало и элементарной теории строения вещества. Так, природу выпрямления электрического) тока в месте контакта с полупроводником сначала считали термическим эффектом. И только в 1906 г. Г. Пирс доказал электрическую природу этого явления. Его работы позволили исследователям использовать выпрямление тока в электротехнике и радиотехнике для детектирования сигналов.

Развитие беспроводной связи поставило перед учеными задачу создания надежных детекторов электромагнитного излучения. Первые детекторы радиоволн были твердотельными. В них широко использовались точечные контакты полупроводника с металлическим острием. В качестве полупроводников применялись карбид кремния, теллур, цинковый халкопирит. галенит и др. Исследователи окончательно установили электрическую природу выпрямления электрического тока, однако дать картину физических явлений в контакте металл – полупроводник никому не удалось. Полупроводниковые кристаллические детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но не были способны их усиливать.

Эксперименты продолжались. В 1922 г. наш соотечественник О.В. Лосев, изучая свойства кристаллического детектора, обнаружил падающий участок вольтамперной характеристики. Ему впервые удалось создать генерирующий детектор, способный детектировать и генерировать электромагнитные колебания. Прибор вошел в историю как "кристадин" Лосева. Он же первым открыл новое явление – свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Ученый это явление объяснил существованием некоторого "активного слоя" в детектирующем контакте (впоследствии названного р-n переходом).

В 1926 г. австрийский физик, лауреат Нобелевской премии, иностранный член АН СССР и многих других академий Эрвин Шредингер разработал теорию движения микрочастиц "волновую механику". С ее помощью началось формирование представлений об электронных ансамблях, зонной теории валентности и т.п.

Блестящие идеи Альберта Эйнштейна, Макса Планка, Нильса Бора и других исследователей формировали квантовую механику, теорию поля, физику твердого тела и другие смежные с теорией полупроводников научные дисциплины.

Одна из первых удовлетворительных теорий полупроводников была построена членом Лондонского королевского общества Аланом X. Вильсоном. Он предложил зонную теорию, по которой энергетические состояния электронов в твердом теле создавали непрерывные зоны. Сложившееся в эти годы представление о структуре твердого тела привело к введению понятия “дырки”. Они вели себя подобно возбужденным электронам, дырочная проводимость" впервые ввел физик, член-корреспондент АН СССР Я.И. Френкель. К этому времени немецким физиком Вальтером Шоттки экспериментально было установлено два типа полупроводников - избыточных и дефектных. К избыточным он относил образцы окислов металлов, обладающих отрицательным значением эффекта Холла. Ныне их определяют как полупроводники n-типа. Дефектными назывались образцы, имеющие положительное значение эффекта Холла (р-тип).

Таким образом, в 30-е гг. удалось разгадать три из четырех загадок "плохих" проводников. Осталось объяснить физическую природу явлений в контакте металл-проводник. Ни одна теория тех лет не позволяла объяснить механизм выпрямления тока.

К этому времени удалось экспериментально получить слиток кремния, у которого с одной стороны была проводимость р-типа, с другой - n-типа. Вехой в истории науки стал момент, когда сотрудник фирмы "Белл" Рассел Оль вырезал из середины такого слитка образец, содержащий р-n переход. Это было в 1935 г., который стал годом создания основы любого полупроводникового прибора - р-n перехода, позволяющего выпрямлять ток и генерировать фото эдс. Такой переход является основой и для дискретного транзистора, и для сверхбольшой интегральной схемы, содержащей миллионы таких переходов.

В конце 30-х гг. советский физик, украинский академик А. С. Давыдов, английский физик, член Лондонского королевского общества Невилл Ф. Мотт и немецкий физик Вальтер Шоттки независимо друг от друга показали, что в полупроводниковых материалах вблизи границы электронного и дырочного типа проводимостей имеет место обеднение носителями заряда. Возникает эффективный барьер для равновесных электронов. Ток через такой р-n переход проходит свободно в одном направлении, а в другом - плохо. Электрическое сопротивление перехода зависит от направления тока. Разработанная теория выпрямления тока в месте контакта веществ с разным типом проводимости получила блестящее экспериментальное подтверждение. Таким образом, решена последняя загадка "плохих" проводников.

Систематическое и широкое изучение свойств полупроводников в нашей стране началось в 30-х годах. Исключительное значение для развития теории и практики полупроводников имели работы групп физиков под руководством академика Абрама Федоровича Иоффе и профессора В. Е. Лошкарева. Были разработаны методы получения достаточно чистых полупроводниковых материалов, способы определения их основных характеристик.

В 40-х гг. - на пороге транзисторной революции - технология позволяла получать чистые монокристаллы р- и n-типов и переходы между ними. В то же время радиолокация требовала мощных источников высокочастотной энергии. В конце 40-х гг. появились и первые ламповые электронно-вычислительные машины, отличавшиеся крайне низкой надежностью. Полупроводниковые детекторы по своим параметрам стали превосходить ламповые аналоги. Требовался полупроводниковый усилитель электрических сигналов.

Полупроводниковый усилитель пытались создать давно. Первая попытка относится к 1925 г., когда профессор Лейпцигского университета Юлиус Лилиенфельд запатентовал устройство для усиления электрических колебаний на основе полупроводниковой пленки - сульфиде меди. Затем немецкие физики Р. Хильш и Р. Поль в конце 30-х гг. создали прибор для управления током на монокристалле бромида галлия. Эти приборы не нашли практического применения.

В 1938-1939 гг. американские физики, сотрудники фирмы "Белл" Вильям Шокли и Алан Холден пытались получить усилительный эффект вследствие изменения сопротивления угольных контактов, на которые оказывалось давление с помощью кварцевого кристалла. Шокли также опробовал идею создания полевой структуры путем нанесения кремния и германия на изоляторы. Получить полевого эффекта не удалось.

Научный сотрудник фирмы "Белл" Джон Бардин объяснил неудачу Шокли присутствием на полевой структуре зарядов на поверхности полупроводника. Именно Бардин создал теорию поверхностных состояний, Стратегией исследователей фирмы "Белл" было получение усилительного эффекта путем управления током обратносмещенного точечного контакта на поверхности полупроводника. Предполагалось решить эту задачу путем использования эффекта образования инверсионного слоя на поверхности полупроводника. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно было бы управлять инверсионным слоем и, таким образом, изменять ток через точечный контакт. В зависимости от типа проводимости полупроводника управляющий сигнал должен был иметь определенную полярность, а ток через точечный контакт - определенное направление.

Эксперименты начал Уолтер Браттейн, исследователь фирмы "Белл". Он поместил точечный металлический контакт на поверхность пластины германия n-типа, погруженной в электролит. Братгейну удалось получить усиление на низких частотах. Экспериментируя вместе с Бардиным, они заметили, что если на электролит подать постоянное смещение, то происходит анодное травление германия. При этом на поверхности германия образуется окисная пленка. Было решено использовать эту пленку вместо электролита. Взяв другую пластину германия, они окислили ее, смыли электролит и нанесли золотой контакт. Снова получили усиление тока, но в этот раз обнаружили, что изменение управляющего напряжения вызывает изменение тока в противоположном ожидаемому направлении. Выяснилось также, что вода смыла слой окисла и поэтому золотой контакт соприкасался непосредственно с германием. Ученые поняли, что у управляющего электрода не было инверсионного слоя, а электрод сам инжектировал избыточные носители. Они двигались по точечному контакту (коллектору) и увеличивали ток в цепи.

Вскоре Дж. Бардин разработал конструкцию усилителя, а У. Браттейн тут же ее реализовал. Эксперимент удался - прибор заработал. Он имел два р-n перехода в виде двух металлических усиков, контактирующих с бруском поликристаллического германия, и был твердотельным аналогом электронной лампы. Усилитель имел коэффициент усиления порядка 100 и работал до верхней границы звуковых частот. Имени у него еще не было. Это было в декабре 1947г.

Сотрудники фирмы "Белл" назвали этот прибор transistor. Слово это синтезировано из двух слов: trans conductance - крутизна вольт-амперной характеристики (известный параметр для электронной лампы) и trans resistance - переходное сопротивление, характеризующее полупроводник.

Изобретение хранилось в строгом секрете. Но 1 июля 1948 г. на странице газеты "Нью-Йорк тайме" было помещено скромное сообщение о разработке фирмой "Белл телефон лабораториз" электронного твердотельного прибора, способного заменить электронную лампу. Эта новость потрясла научную общественность во всем мире.