И.И. Бобров

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Пермь 2003

Рассмотрены физические основы проводимости полупроводников, физика полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, основ­ные свойства, характеристики и параметры распространенных полупро­водниковых приборов. Кратко рассмотрены технологические вопросы по­лучения полупроводниковых приборов и микросхем. Дано представление об уровне развития современной микроэлектроники, ее проблемах и пер­спективах развития.

Предназначено для студентов специальностей «Управление и ин­форматика в технических системах», «Сети связи и системы коммутации». Ориентировано на студентов заочного обучения.

УДК 621.382

ISBN5-88151-173-5

© Пермский государственный технический университет, 2003

Электроника - это область науки, техники и производства, охваты­вающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования [1].

Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий иссле­дование и разработку качественно нового типа электронных приборов - интегральных микросхем - и принципов их применения.

Развитие электроники

Как самостоятельная область науки и техники электроника начала развиваться на границе XIX и XX вв., после открытия термоэлектронной эмиссии (1883 г.), фотоэлектронной эмиссии (1888 г.), разработки вакуум­ного диода (1903 г.) и вакуумного триода (1904 г.).

На становление и дальнейшее развитие электроники решающее влияние оказало изобретение радио (1885 г.). Вначале электроника разви­валась только как радиоэлектроника, обслуживающая нужды радиотехни­ки. Совершенствовались радиолампы. В 20-х годах XX в. в России, в Ни­жегородской радиолаборатории, под руководством М.Н. Бонч-Бруевича был освоен выпуск триодов с водяным охлаждением, которые позволили создать мощные передающие радиостанции. Большую роль в развитии электроники сыграла радиолокация, широко использовавшаяся в годы вто­рой мировой войны.

Нерадиотехническое применение электроники долгое время разви­валось под сильным влиянием радиоэлектроники, из которой заимствова­лись основные элементы, схемы и методы. Однако дальнейшее развитие нерадиотехнических применений электроники пошло по самостоятельно­му пути, прежде всего в области ядерных исследований (с 1943 г.), вычис­лительной техники (с 1949 г.) и массовой автоматизации производствен­ных процессов. Особенно важным этапом в развитии электроники является послевоенный период.

Типичная конструкция электронного устройства в конце войны - ме­таллическое шасси с закрепленными на нем различными .элементами. Ос­новным электронным прибором была электронная лампа. Электронные устройства такой конструкции потребляли много энергии, выделяя много тепла, имели большой вес и габариты.

Средняя плотность монтажа была чрезвычайно низкой - до

0. 01 эл/см³. Развитие авиации и ракетостроения особенно остро поставило задачи значительного уменьшения габаритов и веса, снижения потребляе­мой мощности, уменьшения стоимости. Применение малогабаритных ламп

и печатного монтажа увеличило среднюю плотность монтажа до 0,1 эл/см³. Сделать монтаж более компактным при использовании электронных ламп было невозможно из-за трудности отвода выделяемого тепла. Нужны были принципиально новые элементы и принципы конструирования. Такими новыми элементами явились полупроводниковые приборы, которые от­крыли новые широкие возможности для конструирования аппаратуры.

Производство полупроводниковых приборов начало развиваться бурными темпами. Транзистор был изобретен в 1948 г. в США. В 1955 г. в мире выпускалось 350 типов транзисторов, а в 1963 г. - уже 3000 типов. В 1956 г. только в США изготовлялось 14 млн транзисторов в год, а в 1961 г. в Японии - 200 млн транзисторов в год.

В нашей стране огромный вклад в развитие теории полупроводнико­вых приборов внесла школа академика А.Ф. Иоффе.

Полупроводниковые приборы не требуют подогрева, потребляют очень мало энергии, имеют малые габариты и вес.

Все это позволило сделать монтаж максимально компактным, резко снизить габариты и вес оборудования. Появился новый тип конструкции - модуль, в котором использовались малогабаритные детали. Плотность монтажа достигла 2,5 эл/см³. Однако электронная аппаратура совершенст­вовалась настолько быстро, что и этот уровень уже не удовлетворял требо­ваниям. Но дальнейшее повышение плотности монтажа было невозмож­ным, так как детали занимали почти весь объем конструкции. Однако при этом большая часть объема была все же занята арматурой и защитными корпусами. Например, у транзистора «активная часть» занимала не более

1. % объема транзистора. Кроме того, уменьшение размеров элементов пришло в противоречие с техникой навесного монтажа, которая стала но­сить ювелирный характер.

Последние 50 лет (начиная с 50-х годов) происходит интенсивное совершенствование электронных приборов, являющихся элементной базой радиоэлектроники (РЭ). В 50-е годы происходило бурное развитие произ­водства полупроводниковых приборов - транзисторов и диодов. Этот пе­риод называют этапом дискретной полупроводниковой электроники или дискретных полупроводниковых компонентов. Интенсивное развитие по­лупроводниковой электроники привело к появлению в 60-е годы новых полупроводниковых приборов - интегральных микросхем (ИС). Они полу­чили широкое распространение и в настоящее время являются основной элементной базой РЭ. Область РЭ, связанную с научно-технической и про­изводственной стороной изготовления и применения ИС, называют микро­электроникой. Аппаратура, выполненная на базе ИС, получила название микроэлектронной аппаратуры (МЭА).

Так что же такое ИС?

Достаточно полно отражает содержание понятия ИС такая формули­ровка: ИС - это функциональный узел (блок), состоящий из ряда активных

тронных приборов можно измерить токи до 10'¹⁶ А и мощности до 10'²⁵ Вт при прямом измерении. При косвенном измерении регистрируется пролет отдельной заряженной частицы. Чувствительность электронных приборов ограничивается только собственными шумами и естественным фоном.

3. Универсальность. Она заключается в том, что в электрическую энергию, на измерении которой основано действие всех видов электрон­ных приборов, сравнительно легко преобразуются другие виды энергии: механическая, тепловая, акустическая, атомная и др. Подобная универ­сальность очень важна для промышленной электроники, так как в про­мышленности используются все виды энергии.

Глава 1.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводниковые приборы - это такие электронные приборы, в которых движение электронов и изменение концентрации электронов (протекание тока) происходит в кристаллическом твердом теле - кристалле полупроводника. При движении в кристалле носители тока (электроны) многократно сталкиваются с узлами кристаллической решетки. Вследствие этих столкновений движение носителей тока (электронов) становится хао­тическим. При протекании тока на хаотическое движение накладывается направленное движение, обусловленное силами электрического поля или силами диффузии. Свойства полупроводниковых приборов, их параметры во многом определяются внутренними свойствами кристалла полупровод­ника (температурой, концентрацией примеси, объемными и поверхност­ными свойствами кристалла и т.д.). Для понимания принципа действия и квалифицированного применения полупроводниковых приборов необхо­дим некоторый объем знаний из физики твердого тела и теории электро­проводности. Поэтому непосредственному изучению устройства полупро­водниковых приборов предшествует раздел, в котором в краткой форме приведены необходимые сведения из указанных разделов.

1. Общие сведения о полупроводниковых материалах

К полупроводниковым материалам (полупроводникам) относят ог­ромную группу материалов, удельное сопротивление (р) которых находит­ся в пределах от 10'³- 10'² до 10⁸ Ом-см (у металлов р = 10'⁶ ... 10‘⁴ Ом-см, у изоляторов р = 10⁸ ... 10²² Ом-см). Такое деление было принято сравни­тельно давно, когда рассматривали только сопротивление электрическому току. С этой точки зрения полупроводники - это плохие проводники. Од­нако позднее выяснилось, что полупроводники гораздо ближе по свойст­вам к изоляторам и являются, скорее, «плохими изоляторами», но за полу­проводниками сохранили их традиционное название. В настоящее время в полупроводниковых приборах практически используются лишь германий (Ge) и кремний (Si), значительно реже - арсенид галлия (GaAs). Поэтому в