КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

264

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощать- ся идеи разработки малогабаритных ЭВМ. Но с увеличением числа эле- ментов электронных систем практически не удавалось обеспечить их рабо- тоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надеж- ность функционирования систем. Даже опытные сборщики и наладчики ЭВМ допускали несколько ошибок на 1000 спаек. Требовалась длинная и кропотливая наладка. Решение проблемы соединений и явилось предпо- сылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объеди- нены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскости фольгированного диэлек- трика. Единственным видом интеграции в этом случае являются провод- ники.

К моменту изобретения интегральных микросхем из полупроводни- ковых материалов уже научились изготавливать дискретные транзисторы и резисторы. Для изготовления конденсатора уже использовали емкость об- ратно смещенного p-n перехода. Для изготовления резисторов использова- лись омические свойства кристалла полупроводника. На очереди стояла задача объединить все эти элементы в одном устройстве.

4 этап (Микроэлектроника)

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал в фирме Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полу- проводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в ми- нимум места вместить максимум компонентов?».

Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объе- динить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материа- ла. Только Д. Килби воспользовался германием, а Р. Нойс предпочёл крем- ний. В 1960 году Р. Нойс предложил и запатентовал идею монолитной ин- тегральной схемы (Патент США 2981877) и изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы. В монолитной интегральной схеме би- полярные кремниевые транзисторы и резисторы соединены между собой тонкими и узкими полосками алюминия, которые лежат на диэлектриче- ской подложке из оксида кремния. Алюминиевые соединительные дорож- ки изготавливаются методом фотолитографии, путем травления слоя алю- миния напыленного на всю поверхность оксида. Такая технология получи- ла название – технология монолитных интегральных схем.

265

Одновременно Д. Килби изготовил триггер на одном кристалле гер- мания, выполнив соединения золотыми проволочками. Такая технология получила название – технология гибридных интегральных схем.

а б Рисунок 10 - К изобретению микросхемы: а - Роберт Нортон Нойс (1927 -

1990), американский инженер, один из изобретателей интегральной схемы (1959), один из основателей Fairchild Semiconductor (1957),

основатель, совместно с Г. Муром, корпорации Intel (1968); б - Джек Килби (1923 - 2005), американский учёный. Лауреат Нобелевской премии по физике в 2000 году за своё изобретение интегральной схемы в 1958 году. Член Национальной инженерной академии США (1967). В 1978—1984

профессор Техасского сельскохозяйственного и машиностроительного ун-та. Он также изобретатель карманного калькулятора и термопринтера (1967)

После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пус-

тила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использо- вать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных тран- зисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить про- изводительность.

В июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения по- лупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохот- ную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Ка- лифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед со- бой Г. Мур, Р. Нойс и примкнувший к ним специалист по химической тех- нологии – Э. Гроув, использовать огромный потенциал интеграции боль- шого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кри- сталле для создания новых видов электронных приборов. Эта задача ими была успешно решена.

266

а б

Рисунок 11 - Первые микросхемы: а - первая в мире интегральная микросхема, созданная 12 сентября 1958 г. Д. Килби; б - одна из первых микросхем разработанная Р. Нойсом

В СССР толчком к развитию работ по микросхемам явилось произ- водство американской фирмой Texas Instruments микроэлектронных ком- понентов, разработанных Д. Килби, для использования в системе наведе- ния ракеты "Минитмен".

С 1959 года разработки отечественных кремниевых интегральных схем, по сути дела, представляли собой непрерывный процесс конкурент- ной заочной борьбы с Джеком Килби. Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана на основе планарной техноло- гии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ "Пульсар").

Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы (ИС) было сконцентрировано на разработке и производстве серии инте- гральных кремниевых схем, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments. Работы проводились по оборонному заказу для исполь- зования в автономном высотомере системы наведения баллистической ра- кеты.

Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых инте- гральных схем для воспроизводства были получены из США. Копирование их было строго регламентировано приказами Министерства электронной промышленности. Концепция копирования импортных микросхем жёстко контролировалась министром на протяжении более 19 лет вплоть до 1974 года.

267

Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта – методы так называемой "обратной инженерии".

Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль, в развитие электроники, положив начало новому этапу микроэлектроники.

Этапы развития микроэлектроники

Интегральными микросхемами (ИС) стали называться микроэлек- тронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее вы- сокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы.

Их развитие шло следующим образом:

-1960 – 1969 гг. – ИС малой степени интеграции, 102 транзисторов на кри- сталле размером 0,25 x 0,5 мм;

-1969 – 1975 гг. – ИС средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле;

-1975 – 1980 гг. – ИС с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле;

-1980 – 1985 гг. – ИС со сверхбольшой степенью интеграции, 105 транзи- сторов на кристалле;

-с 1985 г. – ИС с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзи- сторов на кристалле.

Развитие микроэлектроники шло более полувека. За это время неук- лонно росла степень интеграции элементов в кристалле.

По закону Г. Мура, одного из основателей фирмы Intel, сформулиро- ванному в 1965 г., число элементов на одной ИС каждые 24 месяца удваи- вается. Пока этот закон соблюдается.

В2007 году Г. Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.

4.1.2 Полупроводниковые материалы и их свойства. Создание в полупроводнике различных типов проводимости

Все материалы (вещества) по электропроводности условно делятся на 3 группы: металлы, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводники́— материалы, которые по своей удельной проводи- мости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектрика- ми и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводи- мости от внешних воздействий.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют простые вещества четвертой группы таблицы Менделеева: германий (Ge), кремний (Si) или селен (Se), и соединения элементов, например арсенид галлия (GaAs), фосфорит галлия (GaP), карбид кремния (SiC).

268

Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание их электропроводности с ростом темпера- туры и при введении в полупроводник специальных примесей.

При повышении температуры удельное электрическое сопротивле- ние у металлов увеличивается, у полупроводников – уменьшается.

Собственные полупроводники

Кремний и германий – это элементы четвертой группы периодиче- ской системы элементов Менделеева. Они имеют по 4 валентных электро- на, которые участвуют в парно-электронных или ковалентных связях с со- седними атомами, см. рисунок 12.

Рисунок 12 – Кристаллическая решетка кремния

При повышении температуры часть электронов, имеющих большую энергию, освобождается от связей, и становятся свободными носителями заряда (могут свободно перемещаться в межатомном пространстве). При этом в разорванной ковалентной связи как бы появляется положительный заряд, по величине равный заряду электрона, который и приписывают дыр-

ке.

Фактическое движение электронов (связанных электронов) по кова- лентным связям может быть заменено движением дырки в противопо-

ложном направлении.

Образование свободных электронов и дырок называют генерацией носителей заряда. Она происходит при нагревании полупроводника (те- пловая генерация) и при воздействии на полупроводник квантового света (световая генерация), электрических полей, поляризующих излучений.

270

Донорные примеси – элементы пятой группы таблицы Менделеева (сурьма, фосфор, мышьяк и т.д.). Атомы донорной примеси поставляют свободные электроны. Атомы донорной примеси замещают часть атомов собственного полупроводника. Четыре валентных электрона атома донора, участвуют в связях, а пятый превращается в свободный электрон. Сам атом при этом становится положительным ионом. Концентрация свобод- ных электронов (nn) много больше, чем концентрация дырок (pn), которые так же образуются в результате естественной генерации. В таком полупро- воднике основные носители заряда – электроны, а неосновные – дырки, электропроводность полупроводника электронная, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа (n (negative) — электронный тип проводимости), рисунок 14.

Рисунок 14 - Полупроводник n-типа

Объем полупроводника n-типа или p-типа остается электрически нейтральным, если носители заряда не покидают пределы полупроводника.

4.1.3 Р-n переход и его вольтамперная характеристика. Свойства перехода

P-n переход – это переходный слой между двумя областями полу- проводника с разным типом проводимости.

В германии и кремнии двухслойная p–n структура (рисунок 15) соз- дается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси.

271

Рисунок 15 – Образование p–n перехода

Атомы акцепторов и доноров можно считать полностью ионизиро- ванными, т.е. практически все акцепторные атомы присоединяют к себе электроны. Создавая при этом дырки, а донорные атомы отдают свои элек- троны, которые становятся свободными. При нормальной температуре кроме основных носителей заряда в каждом из слоев имеются неосновные носители заряда, создаваемые путем перехода электронов основного мате- риала в зону проводимости.

Нужно помнить, что концентрация неосновных носителей заряда, существенно меньше концентрации основных носителей заряда.

При соприкосновении слоев кристалла с разным типом проводимо- сти электроны и дырки из соответствующих областей диффундируют в те области, где они отсутствуют. При этом в приграничных областях появля-

ются объемные заряды, создаваемых ионами атомов примесей. Они об-

разуют двойной запирающий электрический слой. Этот слой создает по- тенциальный барьер ϕ0 на границе полупроводников с разным типом про-

водимости. Данный барьер препятствует диффузии основных носителей заряда, то есть переходу электронов из полупроводника n-типа в полупро- водник p-типа и переходу дырок в обратном направлении.

Если к p–n–структуре приложить внешнее напряжение U , которое совпадает по направлению с направлением запирающего электрического поля ϕ0 , то потенциальный барьер возрастает и становится равным ϕ0 +U .

рисунок 16,а.

При этом увеличивается объемный заряд в p–n переходе и его шири- на. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p–n переход основных носителей заряда, вследствие чего ток, создаваемый этими носителями заряда, уменьшается. Такое включение p-n перехода на-

зывается обратным включением. Ток основных носителей заряда в этом случае через переход не протекает. Но, для неосновных носителей это включение будет способствовать их движению через переход. По- скольку концентрация неосновных носителей в примесных полупроводни-