Введение

Начнём с определения смысла широко используемого в нашей жизни термина электроника. Электроника – это наука, то есть система знаний, о формировании и управлении потоками электронов в различных физических средах под воздействием электрических, магнитных и электромагнитных полей. Как наука электроника позволяет получить достоверные результаты о поведении потоков заряженных частиц, пригодные для применения в практике. Такая электроника базируется на фундаментальных законах физики и сама по сути является частью общей физики. С другой стороны, под электроникой в общем смысле мы подразумеваем конкретные изделия бытового, медицинского, учебного, военного и многих других назначений, без которых немыслима современная жизнь любого общества. Между электроникой-наукой и электронными изделиями располагается электронная промышленность – материальная база технологического прогресса современной цивилизации. Поэтому электронику мы должны воспринимать как неразрывную триаду из электроники-науки, электронной промышленности и электронных изделий.

Прогрессируя по всем упомянутым направлениям, электроника достигла исторического этапа развития, который получил название микроэлектроника. Развитие это было естественным, поскольку многие задачи, решаемые электроникой, не требуют больших по размерам устройств (например, определение температуры, давления, освещённости, химического состава вещества, сбор и хранение информации, различные расчёты, разведка и спецоперации, микрохирургия, исследование космоса и др.). Кроме того, чем меньше размеры подобных устройств, тем они более функциональны и экономичны. Бурная миниатюризация отдельных компонентов, схем и целых процессорных систем началась во второй половине ХХ века. Отметим, что в электронике принято выделять три основных разновидности: вакуумную, твердотельную и квантовую (лазеры). Главным предметом настоящего пособия будет полупроводниковая твердотельная электроника, рождение которой началось в 1947 г. созданием первого полупроводникового (биполярного) транзистора (Дж.Бардин, У.Браттейн, У.Шокли). В 1959 г. была предложена концепция создания интегральной схемы. В начале 60-х годов на поверхности монокристалла кремния Si были сформированы приборы нового типа – МОП полевые транзисторы (Металл-Окисел-Полупроводник). В этих структурах роль диэлектрического слоя между плёнкой металла и полупроводниковой подложкой играет оксид кремния SiO₂, получаемый контролируемым окислением полированной поверхности кремния.

В конце 60-х годов была разработана технология изготовления р-МОП и несколько позже п-МОП транзисторов соответственно с дырочной и электронной проводимостями. При их объединении возник комплементарный МОП транзистор (КМОП или CMOS), который в настоящее время является основным элементом в схемотехнике ИС.

Таким образом, на протяжении почти полувека электроника стремительно развивалась под лозунгом «компактнее, быстрее, лучше, дешевле». Достигнутые успехи весьма впечатляющи: выполняется закон Мура – каждые 1,5-2 года количество отдельных элементов (в основном, транзисторов) на чипе удваивается, а характерный размер структуры R падает. В итоге в современной электронной ИС число элементов сопоставимо с числом жителей Земли (~ 6·10⁹ чел.), а занимаемая ими площадь всего около 1 см². С ещё большей скоростью растёт плотность магнитной записи на жёстких дисках (на 60-80% в год). Очень важно, что с уменьшением размеров одновременно снижается стоимость единичного элемента структуры. В результате по этому показателю продукты высоких технологий вошли в наноцентовую область. Шутливая иллюстрация этого закона: если бы «боинги» совершенствовались так же быстро, как ИС, то сейчас один самолёт брал бы на борт всё население Москвы, облетал бы Землю менее чем за 1 с, сжигал бы при этом несколько литров керосина, а билет стоил бы меньше 1 цента (в виду имеются ёмкость оперативной памяти одной ИС, её быстродействие, энергопотребление и стоимость одного в ней элемента)

В настоящее время микроэлектроника является главным направлением теории и практики электроники в целом, охватывая частотный диапазон работы ИС от очень низких частот, измеряемых Герцами, до сверхвысоких (СВЧ), миллиметровых и световых (лазеры) волн. Микроэлектроника стала предтечей следующего этапа развития электроники – наноэлектроники.