ФОМ_лекция 1-тезисы

Физические основы микроэлектроники; Электроника, Флеров А.Н., 2015

Лекция 1, тезисы

Дисциплина - “ Физические основы микроэлектроники“

Флёров Александр Николаевич

Литература:

а) основная

1. Электронные приборы. Под ред. Шишкина Г.Г. Учебник для ВУЗов-М: Энергоатомиздат, 1989.

2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Учебник для

ВУЗов. С-Перербург, 2001

3. В. И. Марголин, В. А. Жабрев, В. А. Тупик. Физические основы

микроэлектроники. Высшее профессиональное образование. Академия, 2008.

4. Епифанов Г.И., Мома Г.И. Твердотельная электроника-М.: Высшая школа,1986.

5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника.-М.: Высшая школа, 1991.

б) дополнительная

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.-М.:Мир,т.1 и 2,1984.

2. Батушев В.А Электронные приборы. М.: ВШ.1980.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники.-М.:Сов.радио,1984.

4. Викулин И.М., Стафеев А.И. Физика полупроводниковых приборов.- М.:Высшая

школа,1990.

5. Бонч-Бруевич В.А., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М.:Наука,1977.

еще литература - сайт кафедры http://ifour.spb.ru/library/ , курс “Физические основы микроэлектроники”

ВВЕДЕНИЕ

<Краткий энциклопедический словарь>

Основные определения

ЭЛЕКТРОНИКА - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых)

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА – раздел электроники, МЭ связана с созданием электронных функциональных узлов в миниатюрном исполнении, Развивается на основе пп электроники в направлении повышения степени интеграции элементов.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА – собирательное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования радиочастотных электромагнитных колебаний или волн.

Одно из направлений радиоэлектронки – радиотехника

РАДИОТЕХНИКА - область техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний для передачи информации, радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

РАДИОТЕХНИКА распадается на ряд областей:

1. генерирование колебаний

2. усиление колебаний

3. преобразование колебаний

4. антенная техника

5. распространение радиоволн

6. воспроизведение принятых сигналов

7. техника управления, регулирования и контроля с использованием р.т методов (телеметрия)

П/П ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ (п/п ЭП)– устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических, акустических явлений в твердом теле.

П/П ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ применяют в качестве элементов радиоэлектронной аппаратуры.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, решаемые с помощью п/п ЭП: усиление, генерация, передача, накопление, преобразование, хранение сигналов и пр.

Пример: некоторые типы электронных приборов:

- диоды,

-биполярные

- полевые транзисторы,

- тиристоры,

- фото и терморезисторыи,

- фототранзисторы и пр.

Пример:

- диоды: выпрямительные, генераторные, pin – диоды, стабилитроны, импульсные диоды и пр.;

- биполярные транзисторы: p-n-p, n-p-n;

- полевые транзисторы: с p-n переходом, МОП- транзисторы: с обогащенным и обедненным каналом и пр.

Из истории…

ЭЛЕКТРОНИКА, как область техники, возникла в начале ХХ века, главным образом вакуумная, на ее основе были созданы электровакуумные приборы.

40-е гг. ХХ века получила развитие твердотельная электроника, главным образом полупроводниковая, на ее основе были созданы целый класс проводниковых приборов.

60-е гг. ХХ века – расцвет микроэлектроники.

Полупроводниковые приборы в виде точечных диодов, или, как их раньше называли, кристаллические детекторы, применяли еще в первых электронных установках.

Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми

соединениями были обнаружены еще в 1874 г. А. С. Поповым.

В 1895г. А. С. Поповым при изобретении радио был применен порошковый когерер, в

котором использовались нелинейные свойства зернистых систем.

В 1922г. О. В. Лосев использовал отрицательное дифференциальное сопротивление,

возникающее при определенных условиях на точечных контактах металла с

полупроводником, для генерации высокочастотных электрических колебаний. Кроме того,

им было обнаружено свечение кристаллов карбида кремния при прохождении тока через

точечные контакты.

С конца XIX в. и до середины XX в. успешно развивается техника электровакуумных приборов.

Из-за недостаточного знания строения полупроводников и происходивших в них электрофизических процессов полупроводниковые приборы не получили тогда существенного развития и применения.

Широкое и систематическое исследование свойств полупроводников было начато в 30-е годы XX в.

В этот период были разработаны основы физики полупроводников, открыты наиболее важные эффекты в полупроводниках, на основе которых работают современные полупроводниковые приборы.

При разработке теории выпрямления на границе двух полупроводников разного типа электропроводности (электронной и дырочной) Б. И. Давыдов в 1938 г. установил важную роль неосновных носителей заряда в   образовании тока.

В 1940—1941 гг. В. К. Лошкаревым и его сотрудниками  экспериментально была подтверждена диффузионная теория выпрямления на p-n переходе.

B начале 40-х гг. были разработаны точечные диоды для промышленного применения.

Пример: в 1942г. в СССР был организован выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовались для питания переносных радиостанций в партизанских отрядах.

Создание и производство этих и многих других приборов в СССР стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе.

С 1948 г., американскими учеными Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли создан точечный транзистор, начался новый этап развития полупроводниковой электроники.

У. Шокли разработал теорию плоскостного транзистора. В 1952 г. были созданы первые промышленные образцы плоскостных транзисторов, получивших в дальнейшем широкое распространение.

Тогда же У. Шокли предложил полевой транзистор с управляющим p—n переходом.

В 50-х годах были разработаны различные типы биполярных транзисторов, тиристоров, мощных выпрямительных диодов, фотодиодов, фототранзисторов, кремниевых фотоэлементов — солнечных батарей, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов.

Принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором был предложен еще в 1926 г. Ю. Лилиенфельдом, но до окончательной разработки этих транзисторов потребовалось почти 30 лет исследований электрофизических процессов на границе полупроводника с диэлек­триком и технологии получения необходимых структур.

Одновременно с разработкой приборов новых типов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.

В первой половине 50-х годов был разработан процесс диффузии примесей в полупроводниковые материалы, и в 1956 г. началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии.

Важным достижением стало появление в начале 60-х годов планарного процесса. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой подложки и получение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили осуществлять прецизионный контроль за размерами элементов полупроводниковой структуры.

В 1960 г. был разработан еще один из важнейших технологических процессов - эпитаксиальное наращивание слоев полупроводников требуемых толщины и электрических свойств на монокристаллической подложке.

Достижения полупроводниковой электр оники явились основой создания микроэлектроники.

В 1958—1959-годах появились интегральные микросхемы на кремнии, что означало появление нового направления полупроводниковой электроники — микроэлектроники.

В 1961—1962 гг. появились первые биполярные интегральные микросхемы, а

в 1964 г. — несложные интегральные микросхемы на полевых транзисторах.

С 1967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем.

Удалось существенно уменьшить стоимость и повысить надежность устройств электронной техники, значительно уменьшить их массу и габариты путем формирования всех пассивных и активных элементов интегральных микросхем в едином технологическом процессе.

В 80-е годы прошлого столетия стремление к уменьшению размеров активных элементов электроники привело к зарождению еще одного направления — наноэлектроники. (или более правильно— наноразмерной электроника).

Уменьшение размеров активных элементов до нанометров вызвало появление новых физических явлений и, соответственно, возможностей использования этих явлений в новых приборах.

Развитие полупроводниковой электроники идет весьма интенсивно и в нашей стране, о чем свидетельствует присуждение в 2000 г. Нобелевской премии академику Ж. И.Алферову за исследование гетеропереходов, разработку технологий их формирования и за организацию производства полупроводниковых приборов на основе гетеропереходов.

I. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Образование энергетических зон в кристаллах.

Рассмотрим образование и строение энергетических зон в кристаллах.

Многие полезные с практической точки зрения физические свойства твердых тел, например, электропроводность объясняются их зонной структурой.

Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Мы будем рассматривать строение энергетических зон только в твердых телах, имеющих кристаллическую структуру, к которым относятся большинство полупроводников, применяемых для создания электронной техники.

Энергетический спектр

Энергетический спектр, энергетическая структура - эти понятия привнесены в физику квантовой механикой. В классической физике система может иметь любую энергию.

В квантовой механике каждая физическая система характеризуется определенным энергетическим спектром. Например, в атоме водорода энергия электрона может принимать значения, равные

(1.1 )

E₀ » 13,5 эВ, n = 1, 2, ...

*) эВ – энергия, которую приобретает электрон, пройдя через электрическое поле с разносиътью потенциалов 1 Вольт

Одним из важнейших выводов квантовой механики в применении к макроскопическим телам было установление зонной структуры их энергетического спектра: когда полосы разрешенных значений энергии перемежаются с полосами запрещенных значений.

Коллективное движение частиц в твердых телах удобно характеризовать с помощью квазичастиц.

В твердом теле - это фононы, экситоны, магноны, плазмоны, поляроны, электроны и дырки.

Различают два класса квазичастиц - фермионы, и - бозоны.

Фермионы - частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми - Дирака.

Бозоны - частицы с целым спином, для них реализуется статистика Бозе - Эйнштейна.

*) спин - собственный момент количества движения (мех момент)

Мы будем рассматривать энергетический спектр движения электронов, относящихся к классу фермионов.

Кроме того, мы будем пользоваться понятием - фонон

Фонон – квант тепловых колебаний кристаллической решетки, квазичастица обладающая энергией Ефон

Ефон = kT (1.2)

При рассмотрении энергетического спектра электронов используются ряд приближений:

- рассматриваются только валентные электроны внешних атомных оболочек, которые образуют систему электронов проводимости.

- электроны внутренних атомных оболочек вместе с ядром представляются единым целым - ионом.

Рассмотрим качественно, как образуются энергетические зоны. Пусть N атомов составляют правильную пространственную решетку и расположены на больших (макроскопических) расстояниях друг от друга. Если однородно сжимать такую решетку, сохраняя геометрическое подобие то в процессе сближения атомов усиливается их взаимодействие, что и обуславливает трансформацию энергетического спектра электронов изолированного атома в электронный спектр кристалла.

а)

б)

Рис. 1. Схема образования энергетических зон кристалла из атомных уровней при сближении атомов.

В каждом атоме имеются различные уровни энергии (соответствуюшие электронным уровням) Е_М, Е_L, Е_K и т.д. (рис.1)

В изолированном атоме электрон пребывает на стационарном уровне Е_a неограниченно долгое время.

Чтобы покинуть атом электрону надо сообщить энергию для преодоления потенциального барьера.

При сближении атомов друг с другом у электронов появляется возможность обмениваться местами вследствие туннельного эффекта.

*) - явление просачивания частицы сквозь потенциальный барьер, туннельный эффект - чисто квантовое явление

.

Таким образом, сокращается время пребывания электрона на данном узле решетки. Время пребывания электрона вблизи данного узла t связано с размытием, или шириной, уровня DЕ:

tDЕ ~ , (1.3)

где = h/2

*) h = 6,625.10^-24– постоянная Планка (или квант действия),

(1.3) это соотношение неопределенности (соотношение неопределенности Гейзенберга для энергии Е и времени t)

другими словами - энергия частицы, в каком либо состоянии может быть определена тем точнее, чем дольше частица находиться в этом состоянии.

Следовательно, уменьшение t при образовании кристалла из изолированных атомов приводит к расширению уровня Е_a в зону шириной DЕ_a.

Т.е. в результате переходов электронов при сближении атомов одинаковые уровни энергии расщепляются.

В кристалле огромное число атомов: 10²² - 10²³ в кубическом сантиметре.

Каждый атомный уровень расщепляется на N уровней, расстояние между которыми тем меньше, чем больше число атомов.

В пределе N ® ¥ они слипаются образуя зоны разрешенных значения энергий, ширина которых тем больше, чем больше взаимодействие между соседними атомами. На каждый уровень в зоне может поместиться два электрона (квант. Физика), а всего в зону - 2N электронов.

Важно: для расщепления уровня на N уровней нет необходимости, чтобы все N атомов были близки друг к другу; достаточно, чтобы к любому можно было добраться через соседей. Величина максимального расщепления определяется взаимодействием атомов - соседей

Для валентных электронов ширина разрешенной энергетической зоны составляет несколько электрон-вольт: DЕ ~ /t ~ 1 эВ. Отсюда следует, что расстояние между уровнями, как было отмечено выше, бесконечно мало (DЕ/N ~ 10^-22 эВ), так что зону можно считать квазинепрерывной.

Для электронов внутренних атомных оболочек потенциальный барьер шире и выше, и вероятность туннельного эффекта намного меньше, чем для валентных электронов. Вследствие этого электроны глубоких уровней практически связаны с определенными узлами решетки. Так К-электрон натрия переходит от одного узла к другому в среднем за t ~ 1 час, а DЕ ~ 10^-19 эВ, т. е. К-уровень в кристалле остается практически резким. Однако и на глубоких уровнях в стационарном состоянии электрон распределен с одинаковой вероятностью по всем узлам кристаллической решетки.

Пример:

Частота переходов электронов n от одного атома к другому пропорциональна вероятности туннелирования через потенциальный барьер DЕп.

Можно показать, что при высоте ПБ DЕп ~ 10 Эв время нахождения электрона в определенном узле решетки всего лишь

t = 1/n ~ 10^-15 секунд. . (1.4)

Иными словами, электроны внешних атомных оболочек не локализуются вблизи определенного узла решетки, а движутся по кристаллу.

При радиусе боровской орбиты b ~ 10^-8 см скорость движения

v ~ b/t= 10^-8/10^-15 ~ 10⁷ см/с. (1.5)

Справка: скорость электрона в атоме v ~ 10⁸ см/с,

8