Основные материалы микроэлектроники, применяемые в процессе ее развития
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ РАЗВИТИЯ
Содержание
Введение
1. Основные этапы развития электроники
1.1. Основная тенденция развития микроэлектроники
1.2. Кремний и углерод как основные материалы
технических и живых систем
2. Основные материалы микроэлектроники
2.1 Физическая природа свойств твёрдых тел
2.2. Ионные и электронные полупроводники
2.3. Новые перспективные материалы для
електроники
Выводы
Литература
Введение
Бурное
развитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без существенного
улучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной технике появилось
новое, успешно развивающееся направление – микроэлектроника. За сравнительно
короткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948
году, первая интегральная схема – в 1958 году) микроэлектроника стала ведущим
направлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры.
Твердотельная
электроника – это новое научно-техническое направление, которое посредством
физических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов
решает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.
В качестве
основных конструкционных материалов в микроэлектронике используются
полупроводники, металлы и диэлектрики. В данном реферате рассмотрены основные
материалы, которые нашли применение в микроэлектронике.
1.
Основные этапы развития электроники
В 1948 г.
весь потенциал твёрдотельной электроники скрывался в единственном
экспериментальном образце транзистора, действие которого было не понятно даже
его творцам. Через 10 лет твёрдотельные приборы уже выиграли сражение с лампами
за вычислительную технику и породили объект нового поколения – организованное
скопление транзисторов в одном кристалле, называемое интегральной микросхемой.
Современный
кристалл массой в десятки миллиграммов обладает значительно большей
вычислительной производительностью, чем первые ЭВМ с массой в десятки тонн.
Микроэлектроника
– это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатывать
информацию в малых объёмах твёрдого тела. И идеальной целью является система,
сочетающая совершенство организации мозга с быстродействием твёрдотельных
процессов.
Взаимопроникновение
процессов разработки, синтеза, функционирования и деградации в перспективе
ведёт к схеме реализованной природой в биосистемах. При этом в микроэлектронике
технология приобретает функциональное значение и определяет принципиальные
возможности систем.
Точные
информационные системы создаются методами физико-химической технологии. Ещё в
1874 г. Браун открыл выпрямляющее свойство контакта металл-полупроводник (PbS), и приборы этого типа
даже получили довольно широкое распространение в последней четверти прошлого
века. Но изобретение вакуумного диода (1904, Флеминг) и триода (1906, Ли де
Форест) положило конец этой эре полупроводников. Настоящее время
полупроводников наступило только в 50-х годах после изобретения транзистора,
при этом уместно вспомнить работы Лишенфильда, который ещё в 1925 году высказал
идею возможности создания полевого транзистора. Однако первым в 1948 году
Бардиным, Браттейном и Шокли был создан биполярный транзистор, а спустя 10 лет
был реализован и полевой транзистор.
Современная
технология микроэлектроники основана на двух принципах: последовательном
формировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и создании
топологических рисунков с помощью микролитографии. Технологические основы этих
принципов уходят вглубь веков.
Одним из
функциональных вопросов технологии является вопрос можно ли полностью устранить
механические совмещения и осуществить синтез твёрдотельной структуры в едином
физико-химическом процессе. Те сведения, которыми мы сегодня располагаем
относительно материалов, физико-химической технологии и физических принципов не
позволяют дать положительный ответ. Однако развитие живой природы (генетический
код), история развития техники говорит о том, что такое решение возможно. Но
радикальные изменения в технологии всегда сопряжены с новой физикой, новыми
материалами и новой элементной базой.
Основная
тенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет –
повышение степени интеграции N. Перспективность этой тенденции обусловлена тем, что при
отлаженном серийном производстве стоимость изделий практически не зависит от их
сложности и определяется в основном производительностью оборудования. Повысить
степень интеграции N можно за счёт уменьшения размеров элементов или за счёт
увеличения размера кристалла. Оба эти способа успешно реализуются на практике.
Здесь уместно
отметить, что реальные машины создавали электротехники, ламповые –
радиоинженеры, транзисторные – специалисты по физике твёрдого тела и
твёрдотельной электронике, ЭВМ на малых микросхемах – специалисты по
логическому проектированию, ЭВМ на больших интегральных микросхемах –
специалисты по системотехнике.
1.2
Кремний и углерод как основные материалы технических и живых систем
Кремний был
единственным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной
схемотехники, и он остаётся практически единственной основой планарной
технологии до настоящего времени. Несмотря на многообразие новых материалов и
новых принципов, кремний и сегодня широко используется.
Среди
полупроводников у кремния есть единственный серьёзный соперник – арсенид
галлия. Обладая более высокой подвижностью носителей, GaAs позволяет достичь в 5
раз более высоких пределов быстродействия. Полуизолирующий арсенид галлия
открывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, а как следствие – к более
низкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не позволяет реализовать
излучающие диоды, но он обеспечивает фотоприёмными системами весь видимый и
близкий ИК-диапазоны.
Наконец,
существует ещё два сильных фактора: доступность материала и его нетоксичность
для человека. Кремний полностью удовлетворяет обоим критериям. Приведём данные
распространённости в земной коре наиболее часто используемых материалов
микроэлектроники: Si – 26,0%, Al – 7,45%, C – 0,35%, P – 0,12%, Gd – 7,5∙10-4 %, As - 5∙10-4%, Ge - 4∙10-4%, Ga - 1∙10-4%.
И так,
сегодня монокристаллический кремний – основа активной структуры СБИС,
поликремний – связи и сопротивления, окисел и нитрид кремния – идеальные
диэлектрики, а также оптические волноводы. Кремний используется для
чувствительных датчиков давления.
Кремний и
углерод находятся в 4 группе периодической системы. Углерод служит основой
жизни биосистем, а кремний основой “жизни” кристаллических информационных
систем. Таким образом мыслящие C-системы дополняют себя быстродействующими Si-системами.
2.1 Физическая природа свойств твёрдых тел
Бурное
развитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без существенного
улучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной технике появилось
новое, успешно развивающееся направление – микроэлектроника. За сравнительно
короткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948
году, первая интегральная схема – в 1958 году) микроэлектроника стала ведущим
направлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры.
Твердотельная
электроника – это новое научно-техническое направление, которое посредством
физических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов
решает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.
В качестве
основных конструкционных материалов в микроэлектронике используются
полупроводники, металлы и диэлектрики. Исторически различия между металлами,
полупроводниками и диэлектриками связывалось с особенностями электропроводности
этих тел. К металлам относили вещества, имеющие удельную проводимость,
измеряемую величинами порядка 104 (Ом∙см)-1 . Вещества, имеющие удельную
проводимость в пределах 10-7 (Ом∙см)-1 и меньшую, относили к
диэлектрикам. Все материалы, которые имели удельную проводимость в пределах 104
÷ 10-7 (Ом∙см)-1, считались полупроводниками. С физической точки
зрения такое определение не является достаточно точным. Например, с помощью
введения примесей можно увеличить электропроводимость полупроводников на
несколько порядков, сделав её по величине соизмеримой с проводимостью металлов,
но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники отличаются не
величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости, прежде
всего, от температуры.
2.2
Ионные и электронные полупроводники
В природе
существует два типа полупроводниковых веществ: ионные полупроводники и
электронные полупроводники.
Рис. 2.1.
Образование двухкомпонентных полупроводников
Сегодня
ионные полупроводники не получили широкого распространения в технике, так как
при прохождении через них электрического тока изменяется их состав, структура и
форма.
К электронным
полупроводникам относятся огромное количество самых различных веществ. Так как
в этих веществах ток переносится электронами, то при прохождении не происходит
переноса вещества и приборы могут эксплуатироваться длительное время. К числу
этих полупроводников относятся 13 простых веществ: бор B, углерод C, кремний Si, фосфор P, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое олово Sn, сурьма Sb, висмут Bi, селен Se, теллур Te, йод J. К ним относятся и ряд
бинарных соединений типа AXBVIII-X, где A – элемент группы X, а B – элемент группы VIII-X (рис. 1.1). Такие
соединения как AgCl, CuBr, KBr, LiF и др. типа AIBVII ещё не нашли широкого применения.
2.3
Новые перспективные материалы для электроники
В науке и
технике ведётся целенаправленный поиск материалов, обладающих новыми
свойствами. В последние годы учёными интенсивно изучались структура и свойства
таких материалов как серое олово, теллурид ртути, сплав висмута с сурьмой.
Наиболее интенсивные свойства серого олова и теллурида ртути – это отсутствие
запрещённой зоны. Эти материалы относят к бесщелевым полупроводникам.
Запрещённая зона в них отсутствует при любых воздействиях, не меняющих
симметрию кристаллической решётки: нагрев и охлаждение в определенном
температурном интервале, всестороннее сжатие, введение примесей. Сплавы висмута
с сурьмой, наоборот, приобретают новые свойства при различных внешних
воздействиях. Так, например, под действием всестороннего давления, магнитного
поля, при изменении химического состава этот материал может перейти в
состояние, не имеющее запрещённой зоны. В некоторых сплавах системы
висмут-сурьма под действием мощного магнитного поля образуются экситонные фазы,
которые представляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчивые
комплексы, напоминающие атомы водорода и обладающие исключительно интересными
свойствами. Эти свойства сейчас интенсивно изучаются с целью практического
использования.
Выводы
Бурное
развитие твердотельной электроники началось с изобретения транзистора в 1948 г.
Микроэлектроника
– это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатывать
информацию в малых объёмах твёрдого тела.
Основная
тенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет –
повышение степени интеграции N.
Кремний был
единственным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной
схемотехники, и он остаётся практически единственной основой планарной
технологии до настоящего времени.
Твердотельная
электроника – это научно-техническое направление, которое посредством
физических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов
решает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.
Литература
1. Достанко А.П. Технология интегральных схем. – Мн.: Вышэйшая
школа, 1982. – 207 с.
2. Физическое металловедение / Под редакцией Кана Р., вып. 2.
Фазовые превращения. Металлография. – М.: Мир, 1968.
3. Аваев Н.А., Наумов Ю.Ф., Фролкин В.Т. Основы
микроэлектроники. – М.: Радиосвязь, 1991.
4. Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем. – М.: Высшая школа, 1980. – 450 с.
5. Чистяков Ю.Д., Райкова Ю.П. Физико-химические основы
технологии микроэлектроники. –М.: Металлургия, 1979. – 230 с.