Концептуальна діаграма розвітку електроніки

1.3. Сучасний стан електроніки

Для сучасної електроніки характерний широке використання ІС. З одного боку, це пов'язано з їх застосуванням в радіоелектронних пристроях, з іншою - розробка і вдосконалення ІС зажадали інтенсифікації робіт у області фізичної електроніки.

Поза сумнівом, було б ризикованим передбачати наперед шлях розвитку якої-небудь науки. Стосовно електроніки зробити це особливо важко із-за стрімкого її розвитку. Проте можна з упевненістю сказати, що будь-які нові напрями в електроніці неодмінно будуть пов'язані з технологією виготовлення ІС.

Моделі структур напівпровідників

Терміном «модель» прийнято позначати деяку сукупність ідей і уявлень, певну математичну форму. З одного боку, опис за допомогою моделей дозволяє логічно пояснити фізичні явища і їх властивості, з другий—в деяких особливих випадках модель дозволяє відкривати нові, раніше не відомі факти. Таке загальне визначення цього терміну. Надалі на конкретних прикладах ми вноситимемо необхідні доповнення і уточнення.

У справжньому розділі обговорюються деякі моделі - модель ковалентного зв'язку і зонна модель (модель енергетичних зон) напівпровідника. Дані також відомості і про інші моделі, які використовуватимуться надалі при вивченні напівпровідникових пристроїв. Приведемо короткі характеристики моделей, що цікавлять нас.

• Модель ковалентного зв'язку настільки проста, що її застосовність обмежена. Цінність полягає в тому, що вона дозволяє описати процеси перенесення заряду в напівпровіднику на інтуїтивному рівні. Дана модель дає можливість одержати деякі якісні уявлення про внутрішні фізичні процеси в кристалічних твердих тілах. Ці відомості необхідні на етапі, передуючому строгому математичному вивченню.

• Модель енергетичних зон належить до числа найбільш часто використовуваних, оскільки дозволяє кількісно вивчати явища перенесення в напівпровідникових пристроях. Використовується як в графічній, так і в аналітичній формах. При елементарному розгляді звичайно починають з моделі ковалентного зв'язку, а потім переходять до моделі енергетичних зон. Це дозволяє з різних сторін вивчати фізику руху електронів і дірок — носіїв заряду в напівпровіднику.

• Математична модель ґрунтується на деяких фізичних гіпотезах і дає математичне формулювання процесів в напівпровідникових матеріалах і пристроях на їх основі. Є основним інструментом теоретичного дослідження.

• Аналогова модель, або еквівалентна схема, є, мабуть, найбільш поширеної. У загальному випадку має вид деякого «чорного ящика», для якого вказані зв'язки між струмами і напругами. З цих причин має лише непряме відношення до фізичних процесів в пристрої. Цінність аналогової моделі полягає в зручності її практичного використання.

1.4. Модель ковалентного зв'язку

Залежно від структурних особливостей твердих тіл прийнято розрізняти:

аморфні речовини, що не мають якої-небудь певної структури;

полікристалові речовини, що складаються з окремих гранул або малих областей. Кожна гранула має чітко виражену структуру, проте розміри і орієнтація гранул в сусідніх областях абсолютно довільні;

монокристалічні речовини, атоми яких просторово впорядковані і утворюють тривимірну періодичну структуру, звану кристалічною решіткою.

Для забезпечення необхідних властивостей напівпровідникові пристрої і інтегральні схеми виконують з монокристалів, серед яких найбільше значення мають монокристали кремнію (Si); даний напівпровідниковий матеріал в даний час використовують найчастіше. Проте будь-який монокристал неминуче містить ті або інші дефекти структури, які роблять істотний вплив на процеси перенесення носіїв заряду. Такі дефекти (наприклад, вакансії, включення, дислокації і межі) виникають в процесі вирощування монокристала, а також можуть бути слідством недостатньо високої якості технології.

Основну роль в процесі об'єднання атомів в кристал грають електрони. Міжатомний зв'язок виникає завдяки тому, що атоми в речовині розташовані близько один до одного. Розрізняють іонну, металеву і ковалентну зв'язку.

При іонному зв'язку електрони переміщаються від одних атомів до інших. Як наслідок, в структурі виникають іони. При металевому зв'язку кристалічна решітка з позитивно заряджених іонів оточена «електронним газом». Нарешті, у разі ковалентного зв'язку зовнішні, так звані валентні, електрони стають загальними для найближчих сусідніх атомів. У твердих тілах з ковалентним зв'язком утворюються різні кристалічні решітки, вид яких визначається кутами між напрямами різних ковалентних зв'язків.