Что такое микросхема

Микросхема — это небольшое электронное устройство, состоящее из различных радиоэлементов и помещенное в неразборный корпус. Зачем она нужна? По сути, это «кирпичик», благодаря которому происходит миниатюризация проблем для работоспособности электроники.

С помощью микросхемы можно выполнять типовые задачи. Это возможно благодаря множеству компонентов: резисторов, транзисторов, конденсаторов, диодов. При этом производится преобразование различных типов сигналов (аналоговых, цифровых) за счет проведения электрических импульсов по цепи, их усиления и переключения. Выглядит это как своеобразная сеть дорог: сигнал идет по одному пути, потом сворачивает или размножается, преобразовывается и в конце приходит в заданную точку либо исчезает. При этом каждый контакт на микросхеме — это вывод, который может быть как соединением с другим устройством, так и служить заземлением, питанием, обеспечивать ввод данных.

Рассмотрим принцип работы микросхемы, разберемся в различиях основных типов, узнаем, какие компоненты нужны для работы.

История

Сложно сказать, кто создал первую микросхему. Разработки параллельно проводили несколько ученых. В 1958 году Джек Килби представил прототип. Он сделал полоску из германия размером 11 × 1,5 мм, на которой располагался один транзистор, пара резисторов и конденсатор. Принцип работы был основан на p-n-переходах.

Позже Роберт Нойс придумал взять в качестве основного материала кремний. В итоге в 1961 году вышел первый чип на нем. Позже запустили серийное производство микросхем различной мощности: в 1966 году — средней (до 1000 элементов), в 1969 году — большой (до 10 000 элементов), в 1975 году — сверхбольшой (свыше 10 000 элементов) на одном кристалле.

Компоненты микросхем

Простыми словами микросхема — это набор компонентов, которые выполняют различные функции, при этом они объединены в общую схему. В микросхему входят резисторы, транзисторы, конденсаторы, контакты для подключения, диоды и многое другое.

Транзисторы

Это основные полупроводниковые элементы, которые помогают в создании логических цепочек. У транзистора есть 3 вывода, которые и обеспечивают работу:

• база, куда подается сигнал;
• коллектор, который усиливает сигнал;
• эмиттер — проводник схемы.

Это блоки, на которых строится работа: усиление или преобразование электрического сигнала.

Конденсаторы

Эти устройства накапливают и хранят электрический заряд. По типу похожи на аккумуляторные батареи. Но конденсаторы отдают заряд единовременно, а не постепенно. Их применяют также для фильтрации шумов, создания задержек, минимизации пульсаций, разделения сигнала.

Основная характеристика — емкость: величина заряда, которую они могут принять и хранить. Состоит конденсатор из двух пластин, между которыми расположен диэлектрик. У устройства две ножки.

Резисторы

Пассивные элементы микросхем. Резисторы отвечают за разграничение и поглощение потока тока. Они обеспечивают преобразование силы электрического тока в напряжение.

Конструкция резистора — это элемент, на котором по одной ножке с двух сторон. Основные параметры устройства — сопротивление, мощность рассеивания, точность.

Диоды

Компоненты, которые пропускают ток в одном направлении и блокируют его прохождение в другую сторону. Состоят из проводников N и P типа. Диоды обеспечивают защиту от обратной полярности, стабилизируют подаваемый ток в электрических цепочках, где используют контроль подачи электричества в определенном направлении.

Диоды могут различаться формой и расположением выводов. Есть модели, которые по виду похожи на резисторы.

Микроконтроллеры

Схемы, в которых в единое целое объединены память, периферийные устройства (таймеры, генераторы импульсов и т. д.), процессор. Похожи на устройство микросхемы. Их основная цель — управление процессами.

Различаются между собой скоростью обработки данных, объемом памяти. Принцип работы основан на считывании сигналов и формировании за счет этого кода программы. В микроконтроллер записывают базовый набор команд, который он понимает и выполняет.

Производство микросхем

Производственный процесс чипов требует высокой точности и стерильности. Для изготовления одной микросхемы необходимо около сотни операций.

Вне зависимости от типа микросхемы процесс производства состоит из следующих последовательных операций:

1. Изготовление подложки (кристалла). Кремниевую пластину полируют до зеркального блеска, устраняют любые микроскопические дефекты.
2. Окисление. Под температурой около 1000°С на пластину воздействуют кислородом, чтобы получить прочную пленку. Ее толщина задается технологическими требованиями. Чем дольше воздействие и выше температура, тем толще пленка.
3. Фотолитография. На пластину наносят фоточувствительный слой. Это позволяет перенести на чип необходимое изображение.
4. Облучение. Пластину засвечивают. Через маску (трафарет) проходит световой поток, чтобы отобразить необходимые дорожки, места расположения компонентов.
5. Гравировка. Позволяет сформировать геометрию подложки, определить форму элементов микросхемы. Область, которая не реагирует на световой поток (прозрачный участок), удаляется вместе со слоями специальными химикатами. По сути, это травление пластины.
6. Эпитаксия. Формирование готовой модели пластины. Последовательно образуются несколько слоев диоксида кремния благодаря естественному окислению. Этот этап требует ювелирной точности, так как важно точное повторение рисунка. Любая ошибка приведет к сбою в работе.
7. Металлизация. Чтобы обеспечить соединение элементов микросхемы, наносят слой алюминия, никеля или золота. Это позволяет получить проводящие пленки.
8. Проверка. Микросхему тестируют на выявление брака, потребление электроэнергии и степень нагрева.
9. Формирование чипа. Кремниевую пластину разрезают на 100–150 микросхем. Каждую помещают в отдельный корпус для защиты от повреждений, обеспечения отвода тепла.

При производстве пластины перемещают роботы. Сам чип находится в герметичном контейнере. Это исключает нарушение стерильности.

Принципы работы микросхем

Рассмотрим, как устроена и работает микросхема.

В основе лежит обработка электрических сигналов и проведение логических операций. Возможность работы в аналоговом или цифровом режимах определяет перечень обрабатываемой информации. При этом сигналы поступают по дорожкам на печатной плате.

По сути происходит обработка коротких импульсов в соответствии с задачей микросхемы. Длина сигналов фиксируется в диапазоне нано- или микросекунд. Это позволяет обрабатывать большое количество команд за единицу времени. Запись кодов обработки импульсов прописывается в микросхему на этапе производства.

Разберем основные характеристики микросхем.

Аналоговые

Чипы обрабатывают непрерывные сигналы, которые могут принимать различные значения в определенном диапазоне. Схемы производят усиление импульса, фильтрацию.

К ключевым элементам относят конденсаторы и резисторы. Подбор компонентов способствует накоплению заряда, его ограничению. Это обеспечивает фильтрацию и передачу данных.

Цифровые

Такие микросхемы обрабатывают непрерывные сигналы с дискретными значениями 0 и 1. Это определяет напряжение тока — есть или нет. При этом команды чипа строго определены и заносятся в память на этапе производства.

АЦП (аналого-цифровой преобразователь)

Это чипы, которые преобразуют аналоговый сигнал в цифровой: переводят физическую величину в цифры. Такой подход используют в измерительных приборах, когда надо показать величину напряжения, мощности. Суть работы проста: в зависимости от разрядности схемы входящий аналоговый сигнал разбивается на значения, затем считывается информация.

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)

Этот чип переводит числа (цифровые данные) в аналоговый сигнал. Пример таких систем — управление двигателями. В основе работы лежит анализ и обработка импульсов по математическим алгоритмам.

По сути цифровой сигнал разбивается на отдельные части (сэмплы). Затем каждый кусочек преобразуется на основе интерполяции (если совсем просто, то вычисления среднего арифметического) в аналоговый сигнал. В конце производится фильтрация, очистка от шумов и «склеивание» данных.

Поломки микросхем

Основные неисправности возникают из-за:

• Сбоев. Это короткие замыкания, тепловые пробои, статическое электричество. В микросхемах есть защита от перепадов напряжения, но иногда она не срабатывает. Тогда происходит моментальный нагрев и повреждение p-n-переходов. Явные признаки — отверстия, следы гари, повреждение дорожек. Неявные — отказ от запуска при статическом разряде.

Например, при ремонте ноутбука отключили питание из розетки, но забыли вытащить аккумулятор. Если в этот момент дотронуться до платы металлическим предметом, то произойдет замыкание, которое может «убить» устройство.

• Влаги. Провоцирует короткое замыкание, коррозию.
• Физического воздействия. Чип очень хрупкий, поэтому любое давление может вызвать микротрещины. Еще одна опасность — отвал контакта от схемы, его повреждение при неосторожном обращении.

Вторичная причина — нагрев чипа. Но он может происходить из-за прохождения большого тока через неисправную деталь.

Микросхема — небольшой чип, но за счет него обеспечивается передача, обработка электрических импульсов, логический расчет значений и многие другие операции. Функциональное назначение зависит от сферы применения. Это определяет наполнение: сколько внутри транзисторов, конденсаторов, резисторов и прочих элементов.