Что такое микросхема? Как ее проектируют и производят?

Микросхема (чип/интегральная схема) — это микроэлектронное устройство (кристалл) , изготовленная на полупроводниковой пластине или плёнке и помещённая в корпус. В случае вхождения в состав микросборки может быть без корпуса.

Изобретение биполярного транзистора позволило сделать электронно-вычислительные машины значительно меньшими в размерах, а появление в 1950 году полевого транзистора дало возможность углубиться миру в цифровую схемотехнику и создать микросхемы, без которых сегодняшние технологии были бы невозможными.

Соединив множество транзисторов, можно создать цифровую схемотехнику, однако это будет выглядеть довольно громоздко. Тогда родилась идея объединить несколько транзисторов на одном куске полупроводника. Так в 1958 году была создана первая в мире интегральная микросхема. Первоначально она включала в себя небольшое количество транзисторов, но со временем их число стало увеличиваться. Например, Rentium 4 соединяет несколько миллионов транзисторов. Сам процесс производства современных интегральных микросхем очень сложен. Чтобы разработать проект нового чипа понадобится около полутора лет, при этом затраты на это составят около одного миллиарда американских долларов.

Первым делом необходимо разработать проект микросхемы в системе автоматического проектирования (САПР). Раньше надо было располагать каждый транзистор на куске кремния, теперь же, с изменением типовых линейных размеров транзистора до минимума, когда они стали составлять около 100 нанометров, а число транзисторов в чипе больше миллиарда, создавать руками расположение определенного транзистора не предоставляется возможным.

При современном проектировании используются готовые блоки элементов, то есть уже соединенные вместе транзисторы Их объединяют в логические элементы, функциональные узлы/блоки, что позволяет  существенно сокращать время на разработку.

Непосредственно сама процедура изготовления микросхем занимает до восьми недель и осуществляется в специальных условиях. Сама интегральная схема это структура, состоящая из нескольких слоев. Слои разделяются на полупроводниковые и металлические. На полупроводниковых слоях находятся транзисторы, на металлических слоях – соединительные элементы и внешние выводы.

На полупроводниковых слоях требуется определить расположение каждого транзистора, указать, какая область будет иметь положительную проводимость, а какая отрицательную.
Кроме транзисторов миниатюрный блок микросхемы включает в себя множество и других активных и пассивных элементов, таких как, например, диоды и резисторы. Их общее число может достигать сотен тысяч, миллионов и даже миллиардов, если рассматривать современные технологии.

В зависимости от количества элементов интегральные микросхемы делятся на следующие виды: малой степени интеграции, средней степени интеграции, большие и сверхбольшие интегральные.

В микросхеме малой степени интеграции, в зависимости от ее функционального назначения, может содержаться до ста пассивных и активных элементов. А в сверхбольшой микросхеме – от десяти тысяч и более, то есть миллионы и миллиарды элементов на одном кристалле полупроводника. Одна микросхема может выполнять функцию узла или целого блока радиоприемника, телевизора, микрокалькулятора или какой-либо электронно-вычислительной машины.

Постоянное уменьшение транзисторов в размерах вызывает трудности при гравировке кристалла, даже при использовании самых современных методов, например, лазера. Меньшее, не всегда лучшее. Существуют транзисторы, размеры которых меньше бактерий, они потребляют настолько мало энергии, что могут быть уязвимыми даже при любом микроскопическом воздействии, которое может их вывести из строя. Например, они могут пострадать от ионизированных частиц космических лучей, возникающих при взрыве сверхновых, которые могут нарушить функциональность транзистора и спровоцировать его ошибочное переключение.