ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫМИКРОЭЛЕКТРОНИКИ, 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 материалытехнических 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 дляелектроники
Выводы
Литература
Введение
Бурноеразвитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без существенногоулучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной технике появилосьновое, успешно развивающееся направление – микроэлектроника. За сравнительнокороткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948году, первая интегральная схема – в 1958 году) микроэлектроника стала ведущимнаправлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры.
Твердотельнаяэлектроника – это новое научно-техническое направление, которое посредством физических,химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов решаетпроблему создания высоконадёжных электронных устройств.
В качествеосновных конструкционных материалов в микроэлектронике используютсяполупроводники, металлы и диэлектрики. В данном реферате рассмотрены основныематериалы, которые нашли применение в микроэлектронике.
1.Основные этапы развития электроники
В 1948 г.весь потенциал твёрдотельной электроники скрывался в единственномэкспериментальном образце транзистора, действие которого было не понятно дажеего творцам. Через 10 лет твёрдотельные приборы уже выиграли сражение с лампамиза вычислительную технику и породили объект нового поколения – организованноескопление транзисторов в одном кристалле, называемое интегральной микросхемой.
Современныйкристалл массой в десятки миллиграммов обладает значительно большейвычислительной производительностью, чем первые ЭВМ с массой в десятки тонн.
Микроэлектроника– это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатыватьинформацию в малых объёмах твёрдого тела. И идеальной целью является система,сочетающая совершенство организации мозга с быстродействием твёрдотельныхпроцессов.
Взаимопроникновениепроцессов разработки, синтеза, функционирования и деградации в перспективеведёт к схеме реализованной природой в биосистемах. При этом в микроэлектроникетехнология приобретает функциональное значение и определяет принципиальныевозможности систем.
Точныеинформационные системы создаются методами физико-химической технологии. Ещё в1874 г. Браун открыл выпрямляющее свойство контакта металл-полупроводник (PbS), и приборы этого типадаже получили довольно широкое распространение в последней четверти прошлоговека. Но изобретение вакуумного диода (1904, Флеминг) и триода (1906, Ли деФорест) положило конец этой эре полупроводников. Настоящее времяполупроводников наступило только в 50-х годах после изобретения транзистора,при этом уместно вспомнить работы Лишенфильда, который ещё в 1925 году высказалидею возможности создания полевого транзистора. Однако первым в 1948 годуБардиным, Браттейном и Шокли был создан биполярный транзистор, а спустя 10 летбыл реализован и полевой транзистор.
1.1Основная тенденция развития микроэлектроники
Современнаятехнология микроэлектроники основана на двух принципах: последовательномформировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и созданиитопологических рисунков с помощью микролитографии. Технологические основы этихпринципов уходят вглубь веков.
Одним изфункциональных вопросов технологии является вопрос можно ли полностью устранитьмеханические совмещения и осуществить синтез твёрдотельной структуры в единомфизико-химическом процессе. Те сведения, которыми мы сегодня располагаемотносительно материалов, физико-химической технологии и физических принципов непозволяют дать положительный ответ. Однако развитие живой природы (генетическийкод), история развития техники говорит о том, что такое решение возможно. Норадикальные изменения в технологии всегда сопряжены с новой физикой, новымиматериалами и новой элементной базой.
Основнаятенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет –повышение степени интеграции N. Перспективность этой тенденции обусловлена тем, что приотлаженном серийном производстве стоимость изделий практически не зависит от ихсложности и определяется в основном производительностью оборудования. Повыситьстепень интеграции N можно за счёт уменьшения размеров элементов или за счётувеличения размера кристалла. Оба эти способа успешно реализуются на практике.
Здесь уместноотметить, что реальные машины создавали электротехники, ламповые –радиоинженеры, транзисторные – специалисты по физике твёрдого тела итвёрдотельной электронике, ЭВМ на малых микросхемах – специалисты по логическомупроектированию, ЭВМ на больших интегральных микросхемах – специалисты посистемотехнике.
1.2Кремний и углерод как основные материалы технических и живых систем
Кремний былединственным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной схемотехники,и он остаётся практически единственной основой планарной технологии донастоящего времени. Несмотря на многообразие новых материалов и новых принципов,кремний и сегодня широко используется.
Средиполупроводников у кремния есть единственный серьёзный соперник – арсенидгаллия. Обладая более высокой подвижностью носителей, GaAs позволяет достичь в 5раз более высоких пределов быстродействия. Полуизолирующий арсенид галлияоткрывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, а как следствие – к болеенизкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не позволяет реализоватьизлучающие диоды, но он обеспечивает фотоприёмными системами весь видимый иблизкий ИК-диапазоны.
Наконец,существует ещё два сильных фактора: доступность материала и его нетоксичностьдля человека. Кремний полностью удовлетворяет обоим критериям. Приведём данныераспространённости в земной коре наиболее часто используемых материаловмикроэлектроники: 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 – идеальныедиэлектрики, а также оптические волноводы. Кремний используется длячувствительных датчиков давления.
Кремний иуглерод находятся в 4 группе периодической системы. Углерод служит основойжизни биосистем, а кремний основой “жизни” кристаллических информационныхсистем. Таким образом мыслящие C-системы дополняют себя быстродействующими Si-системами.
2. Основные материалы микроэлектроники
2.1 Физическая природа свойств твёрдых тел
Бурноеразвитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без существенногоулучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной технике появилосьновое, успешно развивающееся направление – микроэлектроника. За сравнительнокороткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948году, первая интегральная схема – в 1958 году) микроэлектроника стала ведущимнаправлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры.
Твердотельнаяэлектроника – это новое научно-техническое направление, которое посредствомфизических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмоврешает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.
В качествеосновных конструкционных материалов в микроэлектронике используютсяполупроводники, металлы и диэлектрики. Исторически различия между металлами,полупроводниками и диэлектриками связывалось с особенностями электропроводностиэтих тел. К металлам относили вещества, имеющие удельную проводимость,измеряемую величинами порядка 104 (Ом∙см)-1. Вещества, имеющие удельнуюпроводимость в пределах 10-7 (Ом∙см)-1 и меньшую, относили кдиэлектрикам. Все материалы, которые имели удельную проводимость в пределах 104÷ 10-7 (Ом∙см)-1, считались полупроводниками. С физической точкизрения такое определение не является достаточно точным. Например, с помощьювведения примесей можно увеличить электропроводимость полупроводников нанесколько порядков, сделав её по величине соизмеримой с проводимостью металлов,но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники отличаются невеличиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости, преждевсего, от температуры.
2.2Ионные и электронные полупроводники
В природесуществует два типа полупроводниковых веществ: ионные полупроводники иэлектронные полупроводники.
/>
Рис. 2.1.Образование двухкомпонентных полупроводников
Сегодняионные полупроводники не получили широкого распространения в технике, так какпри прохождении через них электрического тока изменяется их состав, структура иформа.
К электроннымполупроводникам относятся огромное количество самых различных веществ. Так какв этих веществах ток переносится электронами, то при прохождении не происходитпереноса вещества и приборы могут эксплуатироваться длительное время. К числуэтих 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 рядбинарных соединений типа AXBVIII-X, где A – элемент группы X, а B – элемент группы VIII-X (рис. 1.1). Такиесоединения как AgCl, CuBr, KBr, LiF и др. типа AIBVII ещё не нашли широкого применения.
В ближайшеевремя будут применены соединения типа AIIBVI, среди которых в первую очередь CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, HgTe, HgSe. Их свойства сейчасинтенсивно изучаются. Наряду с сульфатами, теллуридами и селенидами оченьперспективными материалами являются антимониды, арсениды, фосфиды, нитридыалюминия, галлия, индия, бора, относящиеся к типу AIIIBV. Эти элементы ужесегодня являются одними из важнейших полупроводниковых материалов.Полупроводниковыми свойствами обладают SiC и SiGe, относящиеся к типу AIVBIV. Полупроводниковыесвойства обнаружены у соединений типа AIVBVI, среди которых PbS, PbSe, PbTe, соединений типа AIBVI, среди которых CuS, CuO, Cu2O и др. Перспективнымипредставляются сложные соединения и твердые растворы типа AXB1VIII-XB2VIII-X; A1XA2XBVIII-X; A1XA2XB1VIII-XB2VIII-X, например, GaAsP, JnGaSb, ZnCdSeTe. Кроме этих соединенийполупроводниковыми свойствами обладает большое количество более сложныхсоединений. Наряду с неорганическими материалами к полупроводникам относятся иорганические материалы, такие как антрацен, фталоцианин, коронен и целый раддругих.
2.3Новые перспективные материалы для электроники
В науке итехнике ведётся целенаправленный поиск материалов, обладающих новымисвойствами. В последние годы учёными интенсивно изучались структура и свойстватаких материалов как серое олово, теллурид ртути, сплав висмута с сурьмой.Наиболее интенсивные свойства серого олова и теллурида ртути – это отсутствиезапрещённой зоны. Эти материалы относят к бесщелевым полупроводникам.Запрещённая зона в них отсутствует при любых воздействиях, не меняющихсимметрию кристаллической решётки: нагрев и охлаждение в определенномтемпературном интервале, всестороннее сжатие, введение примесей. Сплавы висмутас сурьмой, наоборот, приобретают новые свойства при различных внешнихвоздействиях. Так, например, под действием всестороннего давления, магнитногополя, при изменении химического состава этот материал может перейти всостояние, не имеющее запрещённой зоны. В некоторых сплавах системывисмут-сурьма под действием мощного магнитного поля образуются экситонные фазы,которые представляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчивыекомплексы, напоминающие атомы водорода и обладающие исключительно интереснымисвойствами. Эти свойства сейчас интенсивно изучаются с целью практическогоиспользования.
Выводы
Бурноеразвитие твердотельной электроники началось с изобретения транзистора в 1948 г.
Микроэлектроника– это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатыватьинформацию в малых объёмах твёрдого тела.
Основнаятенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет – повышениестепени интеграции N.
Кремний былединственным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральнойсхемотехники, и он остаётся практически единственной основой планарнойтехнологии до настоящего времени.
Твердотельнаяэлектроника – это научно-техническое направление, которое посредствомфизических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмоврешает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.
Литература
1. Достанко А.П. Технология интегральных схем. – Мн.: Вышэйшаяшкола, 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. Основымикроэлектроники. – М.: Радиосвязь, 1991.
4. Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов иинтегральных микросхем. – М.: Высшая школа, 1980. – 450 с.
5. Чистяков Ю.Д., Райкова Ю.П. Физико-химические основытехнологии микроэлектроники. –М.: Металлургия, 1979. – 230 с.