Теория электрических цепей / 1.9. Понятие о микросхемах: как устроена современная электроника
В современных электронных устройствах — от смартфонов до автомобилей — практически не используются отдельные резисторы, конденсаторы или транзисторы, как это было до 1960-х годов. Вместо этого применяются микросхемы — миниатюрные устройства, внутри которых уже собраны тысячи, миллионы или даже миллиарды элементов.
Микросхема — это единый функциональный блок, изготовленный на одном кристалле полупроводника (обычно кремния). Все элементы — транзисторы, резисторы, конденсаторы — создаются прямо на этом кристалле методами фотолитографии и диффузии. Они не соединяются проводниками, а «выращиваются» вместе — что делает микросхемы компактными, надёжными и дешёвыми в массовом производстве.
Почему появились микросхемы?
До 1960-х годов электронные устройства собирали из дискретных элементов — каждый резистор, конденсатор, транзистор монтировали отдельно на печатной плате. Это было:
- громоздко — устройства занимали много места,
- ненадёжно — большое количество паяных соединений повышало риск отказа,
- дорого — сборка требовала много ручного труда,
- энергозатратно — большие размеры приводили к высокому потреблению мощности.
Микросхемы решили все эти проблемы: они маленькие, надёжные, потребляют мало энергии и могут быть произведены миллионами за один цикл.
Что такое микросхема? Основные характеристики
Микросхема — это интегральная схема, в которой множество элементов объединены в единое целое. Сегодня микросхемы содержат от десятков до нескольких миллиардов транзисторов. Например:
— Процессор Intel Core i9 может содержать более 20 миллиардов транзисторов.— Микросхема памяти DDR5 — до 100 миллиардов элементов на квадратном сантиметре.
Основные преимущества микросхем:
- Малые габариты — размеры измеряются в миллиметрах или даже микрометрах.- Высокая надёжность — нет паяных соединений, которые могли бы отказать.
- Низкое потребление энергии — особенно важно для мобильных устройств.
- Высокая скорость работы — элементы расположены очень близко друг к другу, поэтому сигналы передаются почти мгновенно.
- Низкая стоимость при массовом производстве — одна пластинка кремния может дать сотни микросхем.
Какие бывают микросхемы?
Микросхемы классифицируют по нескольким признакам:
По назначению:
- Аналоговые — работают с непрерывными сигналами (например, усилители звука, датчики).
- Цифровые — работают с дискретными сигналами (0 и 1) — процессоры, память, контроллеры.
- Смешанные — сочетают аналоговые и цифровые части (например, АЦП/ЦАП).
По степени интеграции:
— Малой степени интеграции (МИС) — до 100 элементов.
— Средней степени интеграции (СИС) — от 100 до 1000 элементов.
— Большой степени интеграции (БИС) — от 1000 до 100 000 элементов.
— Сверхбольшой степени интеграции (СБИС) — более 100 000 элементов (современные процессоры и память).
По технологии изготовления:
— Полупроводниковые — на основе кремния или германия (основной тип).
— Гибридные — сочетают полупроводниковые элементы с дискретными компонентами.
— Плёночные — элементы наносятся на подложку в виде тонких плёнок.
Рабочие напряжения микросхем
Одна из ключевых особенностей микросхем — низкие рабочие напряжения. В отличие от старых ламповых или транзисторных устройств, где использовались десятки вольт, современные микросхемы работают при:
- 5 В — стандарт для многих цифровых микросхем (TTL, CMOS).
- 3,3 В — распространено в современных компьютерах и периферии.
- 1,8 В и ниже — используется в мобильных устройствах для экономии энергии.
Пробивные напряжения у микросхем очень малы — часто менее 10 В. Это связано с тем, что толщина диэлектриков в них составляет всего несколько нанометров — то есть тысячных долей микрометра. Поэтому обращаться с микросхемами нужно аккуратно — даже статическое электричество, которое мы не чувствуем, может их вывести из строя.
Почему важно знать про микросхемы?
Потому что все современные устройства — от часов до спутников — построены на микросхемах. Без них не было бы:
— Компьютеров и смартфонов,— Автомобильных систем управления,
— Медицинского оборудования,
— Бытовой техники,
— Интернета и беспроводной связи.
Умение работать с микросхемами — это основа современной электроники. Даже если вы не собираетесь быть инженером, понимание того, как устроены микросхемы, поможет вам:
— правильно выбирать компоненты,
— диагностировать неисправности,
— безопасно обращаться с электроникой,
— понимать, как работает ваша техника.
▌Интересный факт:Самая маленькая микросхема в мире — это так называемый «чип-порошок», размером меньше песчинки, который можно ввести под кожу. Он используется для идентификации животных, а также в экспериментах с человеческой имплантацией. А самая большая микросхема — это процессор NVIDIA Hopper H100, площадью 814 мм², содержащий 80 миллиардов транзисторов. За секунду он может выполнить триллионы операций — больше, чем человек за всю жизнь.