Μικροηλεκτρονική

Οι μέθοδοι και τα είδη των κυκλωμάτων

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 κυκλώματα 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 διαδεδομένης 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 ο δισταθής πολυδονητής (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 Χάιλ (Oskar Heil) κατοχύρωσε την ευρεσιτεχνία για το Tρανζίστορ Eπίδρασης Πεδίου (Field Effect). Αυτή η εργασία των Λιλινφελντ και Χάιλ 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.

Τρανζίστορ

Ο Φυσικός Tζον Μπαρντήν (John Bardeen) τελικά ανέπτυξε έναν νέο κλάδο, αυτόν της Φυσικής Επιφανειών, με σκοπό να ερμηνεύσει τις "περίεργες" συμπεριφορές που παρατηρούσαν στα πειράματά τους και οι Bardeen και Brattain τελικά κατάφεραν να κατασκευάσουν μία διάταξη Διφυούς Αγωγής Τρανζίστορ (Bipolar Junction Transistor) που λειτουργούσε αν και αρκετά μεγάλη σε μέγεθος από τα σημερινά τρανζίστορ. Τα Τρανζίστορ Διφυούς Αγωγής (Bipolar Junction Transistor) ήταν τα πλέον διαδεδομένα τρανζίστορ στις δεκαετίες του 1960 και 1970. Ακόμα και μετά την αύξηση της χρήσης των MOSFET παρέμειναν στη κυκλοφορία κυρίως σε αναλογικά κυκλώματα όπως οι απλοί ενισχυτές λόγω της απλότητας κατασκευής τους και της γραμμικότητας που παρουσιάζει το σήμα τους. Το τρανζίστορ ονομαζόταν αρχικά και |}{"|κρυσταλλοτρίοδος. Το Τρανζίστορ BJT αποτελείται από τρεις διόδους: τον εκπομπό, τη βάση και στον συλλέκτη. 
Το πρώτο τρανζίστορ πυριτίου, κατασκευάστηκε από την εταιρεία Texas Instruments το 1954. Το πρώτο τρανζίστορ πυριτίου κατασκευάστηκε από την Texas Instruments το 1954. Ήταν εργασία του Gordon Teal, ενός ειδικού στην παραγωγή κρυστάλλων υψηλής καθαρότητας που εργάζονταν προηγουμένως στα Bell Labs. Το πρώτο MOS τρανζίστορ κατασκευάστηκε από τους Kahng και Atalla στα Bell Labs το 1960, το οποίο ήταν MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Το Tρανζίστορ FET αποτελείται από την πηγή (source), την πύλη (gate) και τoν συλλέκτη ή αυλάκι (drain).
Το τρανζίστορ θεωρείται μία από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις του 20ου αιώνα καθώς σηματοδότησε την θεμελίωση της Μικροηλεκτρονικής ως αυτοτελή εφαρμοσμένο επιστημονικό κλάδο ο οποίος εξελίσσεται μέχρι και σήμερα, προχωρώντας σε ακόμα πιο μικρές κλίμακες ολοκλήρωσης, σύνθεσης και κατασκευής (Νανοηλεκτρονική, Κβαντική Πληροφορία, Ατομοτσιπ και άλλες πολλές καινοτομίες). Τα τρανζίστορ κατασκευάζονται είτε ως ξεχωριστά ηλεκτρονικά εξαρτήματα είτε ως τμήματα κάποιου Ολοκληρωμένου κυκλώματος και χρησιμεύει στην ενίσχυση της ηλεκτρικής τάσης στο κύκλωμα, στην σταθεροποίηση της τάσης, λειτουργεί ως μεταβλητή ωμική αντίσταση, στην διαμόρφωση συχνότητας και επίσης μπορεί να λειτουργήσει και σαν διακόπτης. Το τρανζίστορ είναι το κυριότερο συστατικό όλων σχεδόν των σύγχρονων ηλεκτρονικών κατασκευών. Η πλατιά χρήση του οφείλεται κυρίως στη δυνατότητα παραγωγής του σε τεράστιες ποσότητες που μειώνουν το κόστος ανά μονάδα. Παρόλο που αρκετοί παραγωγοί παράγουν, ακόμα και σήμερα, μεμονωμένες συσκευασίες τρανζίστορ, η μεγαλύτερη ποσότητα παράγεται μέσα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα (που συχνά αναφέρονται ως τσιπς) μαζί με τις διόδους, αντιστάσεις, πυκνωτές και άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

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 gyrators μπορούν να αντικαταστήσουν τα πηνία σε πολλές και διάφορες εφαρμογές.

Το πρόβλημα των Παρασιτικών Φαινομένων στα Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα

Καθώς οι τεχνικές βελτιώνονται, η κλίμακα των μικροηλεκτρονικών στοιχείων συνεχίζει να σμικρύνεται ραγδαία. Σε μικρότερες κλίμακες, οι σχετικές επιπτώσεις των εγγενών ιδιοτήτων ενός κυκλώματος όπως οι διασυνδέσεις ανάμεσα στα στοιχεία του μπορούν να γίνουν περισσότερο αισθητές. Έτσι γεννώνται συχνότητες που εμποδίζουν την ορθή μετάδοση της πληροφορίας ανάμεσα στα στοιχεία μιας ψηφίδας (chip) και γενικά η εσφαλμένη μεταφορά σημάτων ανάμεσα στα μικροηλεκτρονικά στοιχεία των ψηφίδων δημιουργούν πρόβλημα σε όλη την ηλεκτρονική πλακέτα. Έτσι έχουμε τα Παρασιτικά Φαινόμενα στις μικροηλεκτρονικές πλακέτες και διατάξεις και ο στόχος του Μηχανικού Μικροηλεκτρονικής (Μηχανικός που ασχολείται με τον σχεδιασμό, την σύνθεση και την κατασκευή Μικροηλεκτρονικών Κυκλωμάτων και Διατάξεων) είναι να επινοήσει καινοτόμους τρόπους για να αντισταθμιστούν ή να ελαχιστοποιηθούν αυτά τα αποτελέσματα των Παρασιτικών Συχνοτήτων. Στόχος της Μικροηλεκτρονικής είναι να εξαλείψει τις παρασιτικές συχνότητες που γεννώνται από τον μεγάλης έκτασης συγχρωτισμό των μικροηλεκτρονικών στοιχείων σε μια ηλεκτρονική διάταξη ενώ παράλληλα να συνθέσει μικρότερες σε κλίμακα, ταχύτερες, ευέλικτες και οικονομικά φθηνότερες ηλεκτρονικές συσκευές.

Μελλοντικές Προοπτικές της Μικροηλεκτρονικής

Η ανάπτυξη της Μικροηλεκτρονικής συνέχισε να σμικρύνει περισσότερο τις μικροηλεκτρονικής ψηφίδες (chips) και να προσδίδει στις υπολογιστικές διατάξεις νέες διευρυμένες ιδιότητες αποθήκευσης και επεξεργασίας πληροφοριών. Ο περίφημος Νόμος του Μουρ (Gordon Moore 1965), προβλέπει ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε έναν μικροεπεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες. Αυτός ο νόμος επαληθεύεται συνέχεια στην πράξη, οπότε αναμένουμε την κατασκευή ολοένα και περισσότερο ευέλικτων μικροηλεκτρονικών υπολογιστικών κυκλωμάτων σε σμίκρυνση με νέες ιδιότητες, φέρνοντας στο προσκήνιο την καινοτόμο προώθηση των εφαρμογών της Μικροηλεκτρονικής για την επίτευξη Ισχυρής Τεχνητής Νοημοσύνης (Strong Artificial Intelligence), εφαρμογών υλοποίησης Νευρωνικών Δικτύων σε VSLI και ULSI κλίμακες ολοκλήρωσης και βιοηλεκτρονικών εφαρμογών. Χάρη στη Μικροηλεκτρονική οδεύουμε προς την εξέλιξη της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, της Υπολογιστικής Νοημοσύνης, των Τηλεπικοινωνιών, των Αμυντικών Συστημάτων, την Εξερεύνηση του Διαστήματος, την Αυτοματοποίηση της Βιομηχανίας και τελικά σε ένα ανώτατο σημείο Τεχνολογικής Μοναδικότητας το οποίο οι Επιστήμονες, οι Μηχανικοί και οι Τεχνοκράτες αναμένουν.