А.С. Бадаев а.В. Чернышов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Часть 1

Физические свойства твердых тел

Учебное пособие

Воронеж 2011

УДК 621.382

Бадаев А.С. Физические основы микроэлектроники. Ч. 1: Физические свойства твердых тел: учеб. пособие/ А.С Бадаев, А.В. Чернышев. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011 - 294c.

В учебном пособии рассмотрены структура, механические, тепловые, магнитные свойства твердых тел, основы зонной теории и физические свойства диэлектриков, необходимые при изучении курса физические основы микроэлектроники.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств». Учебное пособие предназначено для студентов очной формы обучения специальностей 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» при изучении дисциплины «Физические основы микроэлектроники» и 210302 «Радиотехника» для дисциплины «Физико-технологические основы микро- и наноэлектроники».

Ил. 114. Библиогр.: 9 назв.

Рецензенты: Кафедра естественнонаучных дисциплин Международного института компьютерных технологий (к.ф.-м.н., доц. М.А.Ефимова); д-р физ.–мат. наук, проф. В.И. Митрохин

 Бадаев А.С., Чернышев А.В., 2011

 Оформление. ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011.

ВВЕДЕНИЕ

В наступившем двадцать первом веке научно-технический прогресс невозможен без широкого применения радиоэлектроники, вычислительной техники, робототехники и информатики. Для успешного развития этих направлений необходима современная элементная база, которую обеспечивает микроэлектроника (МЭ) – область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных изделий с высокой степенью интеграции. МЭ позволяет резко повысить надежность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), значительно уменьшить ее габариты, массу, потребляемую мощность и стоимость. В МЭ отказываются от применения дискретных радиокомпонентов. Используя достижения физики твердого тела, металлургии сверхчистых материалов и электронного машиностроения на основе качественно новых технологий, в микрообъемах твердого тела формируют сложные электронные узлы – интегральные микросхемы (ИМС).

ИМС – это совокупность большого количества взаимосвязанных элементов (или элементов и компонентов): транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п., изготовленная в едином технологическом цикле (т.е. одновременно), на одной несущей конструкции – подложке – и выполняющая определенную функцию преобразования и обработки сигналов.

Находясь на стыке многих многих наук и научно-технических направлений, МЭ использует новейшие достижения фундаментальных и прикладных наук и прежде всего физики, физико-химии, математики и др. При этом ведущее положение в ней занимала и продолжает занимать физика твердого тела, определяющая генеральное направление развития МЭ.

Физика твердого тела – это наука о строении, свойствах твердых тел и происходящих в них явлениях.

Твердые тела – это вещества, которые обладают некоторой жесткостью по отношению к сдвигу. Структура таких веществ обычно является кристаллической. Кристаллы характеризуются правильным расположением атомов, в них существует строгая повторяемость одних и тех же структурных элементов (атомов, групп атомов, молекул). Кроме кристаллических веществ существуют аморфные твердые тела, в которых отсутствует характерный для кристаллов «дальний» порядок. Различие в структуре этих твердых тел приводит к различию в их физических свойствах и проявлению различных физических эффектов, лежащих в основе работы разнообразных МЭ - устройств.

В 70-е и 80-е годы двадцатого века был издан ряд хороших учебных пособий и монографий по микроэлектронике и основам микроэлектроники. К сожалению лишь некоторые из них переиздаются, как правило, без изменений в последние годы. Кроме того, практически все книги посвящены изучению частично физики полупроводников и основ функционирования полупроводниковых приборов и МЭ – устройств. Поэтому в настоящем учебном пособии мы попытались осветить основные вопросы физики твердого тела с учетом последних достижений в этой области.

Учебное пособие написано на основе курса лекций, читаемого в течении многих лет студентам специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» Воронежского государственного технического университета. Курс рассчитан на два семестра и состоит из двух частей. Первая часть посвящена изучению физических свойств твердых тел, во второй части рассмотрены физические основы функционирования различных устройств микро- и оптоэлектроники.

Настоящее учебное пособие охватывает первую часть курса, его целью является изложение основ физики твердого тела, включающих общие представления о строении кристаллов и аморфных веществ, зонной теории твердого тела, а также различных свойств: механических, тепловых , магнитных и др.

Хронологически первыми вышли два издания учебника Балашова Ю.С., и Горлова М.И. «Физические основы функционирования интегральных устройств микроэлектроники» 2002 и 2008 г.г.

По этой причине в настоящее учебное пособие не вошли важные разделы, посвященные статистической физике, электрическим и оптическим свойствам твердых тел, которые представлены в вышеназванных книгах.