Файл: Комов, А. Н. Физические основы микроэлектроники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2024
Просмотров: 69
Скачиваний: 0
КУЙБЫШЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А, Н. КОМОВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
КУЙБЫШЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А. Н. КОМОВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Рассмотрено и утверждено Редакционным советом Куйбышев ского государственного университе та от 21 ноября 1972 г.
Куйбышев 1974
АН Н О Т А Ц И Я
Впредлагаемом учебном пособии рассмотрены такие разделы, как элементы квантовой механики и статистической физики, основы физики твердого тела, тонкие пленки, которые необходимы при изу чении курса физических основ микроэлектроники и могут быть по лезными для студентов университета по специальности «Физика твердого тела». Данное пособие написано на основе лекций, прочи танных студентам Куйбышевского авиационного института по спе
циальности «Конструирование и производство радиоаппаратуры».
- |
•" ' ..... |
|
|
Гс?0. пѵ ХЧЧ WÂfl |
|
|
..лка CCOF |
Л |
|
• ■ѵіПті |
|
|
|
Комов Александр Николаевич
Физические основы микроэлектроники
Учебное пособие
Ответственный редактор, профессор А. Д. Ершов
Технический редактор В. П. Антонов
ЕООПОЗ. Подписано в печать 9/1 1973 г. Формат бумаги 60Х90Ѵіб- П. л. 10. Тираж 1000 экз. Цена 98 коп.
Редакционно-издательский отдел Куйбышевского государственного университета, г. Куйбышев, ул. Потапова, 64/163.
Областная тип. им. Мяги,' г, Куйбышев, Венцека, 60. Заказ № 2876.
ВВ Е Д Е Н И Е
§I. Определение понятия микроэлектроники
Вразвитии современной техники характерной чертой является массовый переход на автоматизацию производственных процессов и, как -следствие, — расширение областей применения и усложне
ние радиоэлектронной аппаратуры. Это потребовало существенного изменения методов построения сложных радиоэлектронных уст ройств.
До недавнего времени основные принципы проектирования ра диоэлектронных устройств сохранялись теми же, что и на первых этапах развития радиотехники. Сущность их заключалась в том, что проектировщик таких устройств создавал схему из большого чисіа активных и пассивных элементов, пытаясь получить из нее сочетание, удовлетворяющее заданным требованиям.
С усложнением радиоэлектронной аппаратуры при таком под ходе стали значительно возрастать ее вес и габариты, а также рез
ко снижаться надежность. Современная электроника |
столкнулась |
|
с серьезной дилеммой: с одной стороны, |
непрерывно |
возрастают |
требования к рабочим характеристикам, |
что приводит |
к усложне |
нию электронных систем; с другой стороны, все более остро возни кает необходимость ограничения габаритов, веса и потребления мощности. Этот конфликт очевиден при конструировании передвиж ной аппаратуры военного назначения и для астронавтики, где каж дый добавочный килограмм груза увеличивает на сотни кило граммов стартовый вес ракеты, за -счет добавочного количества топлива, необходимого для вывода ее на заданную траекторию. Очевидно, что подобные проблемы возникают и при конструиро вании другой аппаратуры — электронных вычислительных ма шин, сложных автоматических систем, спутников связи.
Разработка миниатюрных электронных компонентов и узлов на основе твердого тела явилась неизбежным ответом нд проблему увеличения сложности электронных устройств.
Начало миниатюризации электронных устройств можно отнести к 1948 году, когда Бардиным, Шокли и Браттейном был создан транзистор. Это не только позволило уменьшить габариты и пот ребление мощности путем исключения электронной лампы, но так же послужило толчком ко многим другим открытиям, результатом
которых явились тонкопленочные и полупроводниковые интеграль ные схемы.
' Только на основе методов микроэлектроники можно создать эффективно действующие сложные радиоэлектронные устройства самого различного назначения, отвечающие требованиям современ ной техники. Вот один из примеров преобразования электронной техники. В период второй мировой войны стандартная радиостан ция армии США для наземных подразделений весила 16 кг, в кон це 50-х — начале 60-х годов — 6 кг, а к концу второй половины 60-х годов — уже 2 кг. Подобные результаты достигнуты благода ря принципиально новым направлениям в конструировании элек тронных схем — микроминиатюризации.
Под микроминиатюризацией или микроэлектроникой понима ется новое научно-техническое направление, охватывающее ком плекс проблем по созданию высоконадежной и дешевой миниатюр ной радиоаппаратуры, характерной чертой которой является пол ный или частичный отказ от дискретных радиоэлементов. %
Особенностью микроэлектроники является то, что она основ’ы- вается на самых новейших достижениях науки и техники, быстро осваивая такие явления, как оптические и магнитооптические, сверхпроводимость, электрические явления в жидких и твердых электролитах и т. д. С каждым днем все более интенсивно исполь зуются результаты исследований биологических систем.
§ 2. Основные направления микроэлектроники
Наибольшие усилия физиков, технологов и конструкторов со средоточены сейчас на разработках в области интегральной элек троники, т. е. на физических принципах и технологических методах создания микроэлектронных радио-технических схем- в едином тех нологическом цикле.
В настоящее время явно обозначились два направления разви тия микроэлектроники:
1.пленочные гибридные схемы;
2.полупроводниковые интегральные схемы.
1. Пленочные схемы
Эти схемы выполняются на изолирующих подложках наиболее перспективным методом вакуумного напыления. Метод вакуумного напыления позволяет получить с высокой воспроизводимостью на дежные соединения, резисторы и конденсаторы с достаточно широ ким набором номиналов.
Однако до сих пор еще не разработана технология, позволяю щая получать достаточно стабильные пленочные диодные и триодные структуры, а отсутствие активных элементов, естественно, не позволяет создавать в едином технологическом цикле пленочнке интегральные схемы.
4
Таким образом, в пленочных схемах применяют в основном ак тивные элементы навесного типа.
Одним из путей решения проблемы пленочной электроники мо жет оказаться использование аморфных материалов и аморфных пленок. В аморфном состоянии, так же как и в монокристаллах, практически могут отсутствовать структурные дефекты, дислокации. В этом смысле идеальная аморфная структура может оказаться лучше идеальной монокристаллической. На основе аморфных пле нок возможно более простое решение проблемы пленочных актив ных элементов и, следовательно, пленочной электроники в целом.
2. Полупроводниковые интегральные схемы
Полупроводниковые интегральные схемы представляют собой микроминиатюрные радиоэлектронные устройства, использующие своеобразные явления и эффекты, возникающие в твердом теле. В настоящее время известно несколько десятков таких явлений, кото рые могут быть применены для создания радиоэлектронных уст ройств. Хотя сейчас наибольшее развитие получили полупроводни ковые твердые схемы, однако возможно создание твердых схем, использующих и неполупроводниковые материалы. Теоретической основой для развития твердых схем является теория твердого тела. Теория полупроводников представляет собой один из разделов тео рии твердого тела.
Полупроводниковые твердые схемы создаются на основе крис таллического полупроводникового материала.
Полупроводниковые твердые схемы позволяют получить высо кую плотность упаковки и, следовательно, обеспечить значительное снижение веса и габаритов радиоэлектронных устройств.
Если обычные схемы на электронных лампах содержат в 1 куб. метре 0,4-^2хЮ 5 деталей, а обычные схемы на транзисторах — 1,5X ІО6 деталей, и тонкопленочные микросхемы — 4Х І07 деталей, то интегральные полупроводниковые схемы — 4ХЮ8 деталей.
Для сравнения можно привести такую цифру: человеческий мозг имеет плотность упаковки клеток примерно 4Х1012 в куб. м.
Увеличение плотности упаковки элементов и уменьшение их раз меров позволяют значительно уменьшить вес радиоаппаратуры. Так, лет пять назад, бортовая вычислительная машина имела вес 100 кг, сейчас же ее вес приближается к 12 кг, причем выполняемые ею функции значительно усложнены.
Однако малогабаритность и снижение веса не являются глав ными достоинствами твердых схем. Основным их преимуществом является высокаянадежность. Возможность получения высокой на дежности для твердых схем обусловлена следующими обстоятельст
вами: |
ч |
1) |
технологический процесс производства твердых схем состоит |
из сравнительно небольшого числа операций. Поэтому все процессы изготовления можно максимально автоматизировать и подверг нуть точному контролю;
2) использование в твердых схемах единого кристаллического монолита сокращает примерно на 70—80% число внутриблочных паяных соединений.
3) в твердых схемах как активные, так и пассивные элементы заключены в общий герметический корпус. В результате этого рез ко снижается воздействие внешних условий, ,в частности влажности.
Имеются данные, что некоторые виды твердых схем работали до 3- ІО6 схемо-часов без отказа.
Одним из достоинств интегральных полупроводниковых и тон ко-пленочных схем является скорость работы. Если у электронных ламп скорость их работы исчисляется в тысячных долях секунды, то с появлением полупроводниковых триодов скорость срабатыва ния возросла в 1000 раз. Применение тонких пленок дает фантасти ческую скорость работы, исчисляющуюся в наносекундах (милли ардные доли секунды).
§ 3. Трудности создания твердых схем
При наличии многих достоинств твердых схем их создание свя зано с рядом значительных трудностей. Основная проблема свя зана со все еще низким процентом выпуска годных приборов.
, Второй, не менее важной проблемой является рассеяние мощно сти и отвод тепла. ,
Ограничения, налагаемые на плотность упаковки саморазогревом электронной схемы, можно оценить на примере схемы с 4 - ІО8 элементами, на куб. метр. Каждый элемент этой схемы рассеивает только 1 мвт. Это дает общее выделение тепла 4* 105 вт/м3, что бо-
’лее чем достаточно для превращения схемы в обугленную массу. Существуют, правда, физические явления, которые могут как-то ре шить тепловую задачу, но пока это решение стоит на повестке дня. От специалистов, занимающихся разработкой микроэлектронных элементов и схем, требуется глубокое понимание весьма сложных физических процессов, протекающих в материалах, на основе кото
рых построены элементы и схемы.
В связи с этим возникает необходимость серьезного, изучения физики твердого тела как теоретической основы принципов работы
твердых схем. |
Решение этих вопросов и преследует курс физиче |
ских основ микроэлектроники. |
|
' |
Л И Т Е Р А Т У Р А |
1.А. В. В а с и л ь е в . «Микроминиатюризация военной электронной аппара туры». Изд-во Министерства обороны СССР, 1969.
2.В. И. Стафеев . «Микроэлектроника и некоторые ее проблемы». В сбор нике «Микроэлектроника» под ред. Ф. В. Лукина, вцш. 1. Изд-во «Советское ра дио», 1967.
3.С. Н! Л е в и н . «Основы полупроводниковой микроэлектроники». Перевод
сангл., под ред. Маслова. Изд-во «Советское радио», 1966.
4.«Введение в микроэлектронику», под ред. проф. И. П. Степаненко. Изд-во «Советское радио», 1968.
6
ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
ИСТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
§1. Двойственная природа электрона
Теория атомов и кристаллов, представляющих собой системы, состоящие из атомных ядер и электронов, неразрывно связана с по нятием энергетических уровней.
Изучение энергетического спектра базируется на соотношениях квантовой механики, одним из которых является уравнение Шре дингера.
Рассмотрение основных положений квантовой механики необхо димо начинать с изучения двойственной природы электрона, кото рая подтверждается обширной совокупностью экспериментальных фактов.
Многочисленные опыты показывают, что энергетические состоя ния атомов не являются произвольными, а соответствуют вполне определенным дискретным энергетическим уровням Е\, Е2, Ez,...,En. Такие уровни называются собственными значениями энергии части цы. Они различны для разных химических элементов, но одинако вы для всех атомов одного и того же элемента. Переход с уровня Е\ на уровень Е2 связан с излучением или поглощением дискретной порции энергии AE = hy, где
h — постоянная Планка, равная 6,6252-10~34 дж сек, у — частота излучения.
Величина энергии hy носит название энергии фотона или свето вого кванта (фотон — элементарна» частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света с). Ряд других экспериментальных данных характеризуют волновые свойства эле ментарных частиц, к которым относится и электрон. Опытным пу тем было установлено, что пучок электронов, создаваемый элек тронной пушкой, проходя через вещество с кристаллической струк турой, создает на люминисцентном экране совокупность концентри ческих дифракционных колец, подобно дифракционным кольцам, возникающим при световых явлениях.
Электроны под действием напряжения U, создающего электри
7
ческое поле, достигают скорости ѵ, которая определяется известным соотношением:
17 *пѵ2 |
,, |
е • U = —2~ • |
(1 — О |
Зная взаимное расположение дифракционных колец, можно най ти длину электронной волны подобно тому, как это делается в оп тике. Эксперименты показали, что длина волны К обратно пропор циональна скорости электронов
где коэффициент пропорциональности |
а = — . |
|
|
||
Здесь h — постоянная Планка, |
|
кг. |
|
||
|
т — масса электрона, равная 9,108510~31 |
|
|||
Тогда |
I —— |
■— = — , |
(1—2) |
' |
|
|
т |
V |
р ’ |
ѵ |
|
где р — импульс частиц.
Соотношение (1—2) называют соотношением де Бройля. Волно выми свойствами обладает не только пучок, но и отдельно взятый электрон. Это было доказано замечательным опытом Фабриканта, Бибермана и Сушкина в 1948 году.
Эксперимент заключался в следующем: через дифракционный прибор пропускался очень слабый пучок электронов, причем, про межуток времени между последовательными актами пропускания электронов примерно в 30 000 раз превышал время, необходимое для прохождения электрона через прибор. Это создавало уверенность в том, что на движение электрона, проходящего через прибор, дру гие электроны никакого влияния не оказывают. После эксперимента было обнаружено, что при длительной экспозиции фотопластинки, на ней возникала такая же дифракционная картина, какую дает, пучок электронов. Это явилось свидетельством того, что в движе нии отдельно взятого электрона проявляются волновые свойства.
Таким образом, в одних экспериментах обнаруживаются корпус кулярные свойства частиц (фотоэффект), в других, например, в опытах іс дифракцией частиц, — волновые свойства, т. е. электрон обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойства ми. Указанные два представления кажутся несовместимыми друг с другом с точки зрения классической физики. Однако квантовая теория позволяет примирить мх между собой.
§ 2. Волновое уравнение свободного электрона Волновая функция и ее физическое содержание
Из наличия у свободных электронов волновых свойств следует, что состояние движения их должно описываться волновыми урав
нениями.
%
8