Главные направления развития электроники

Основные этапы развития физики полупроводников.

Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранения информации.

В этом определении - аспекты физической электроники

- прикладной (промышленной) электроники

Этапы, главные этапы и направления развития электроники – вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Весь период развития элементной базы электроники можно разделить на четыре поколения.

1) Дискретная электроника на электровакуумных приборах.

Сборка на платах,соединять- проводами.

2) Дискретная электроника на транзисторах (с 1948г., когда был изобретен тр-р (Бардин, Браттейн, Шокли)

Точечные (сварные) нестабильные

Сплавные-большие переходы

Диффузионные, имплантационные  

3) 1957-1958г., - планарная технология èИС-БИС-СБИС-ССИС-и т.д.

4) Функциональные микросхемы, приборы, узлы. Производится интеграция не элементов, а объемных и поверхностных физических явлений и свойств.

Электроника

Вакуумная

Твердотельная

Квантовая

Электронные лампы

Вакуумные приборы СВЧ

Электронно- лучевые приборы

Фотоэлектронные приборы

Рентгеновские трубки

Полупроводнико-вые приборы

Интегральные микросхемы

Микропроцессоры

Микро-ЭВМ

Приборы и схемы оптоэлектроники

Лазеры

Дальномеры

Оптическая связь

Голография

Радио- астрономия

Переход ко 2-му и 3-му этапу стал возможен благодаря уменьшению размеров отдельных полупроводниковых элементов (транзисторов, диодов и т.д.).

Главные направления развития электроники

ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Интегральные микросхемы

Функциональные приборы и схемы

Микрокомпоненты

Тонкопленочные

Полупроводниковые

СБИС

СВЧ - ИМС

Микропроцессоры

Тепловые

Оптоэлектронные

Пьезоэлектрические

Электрохимические

На эффекте Ганна

Многослойные платы

Микроразъемы

Микропереключатели

Индикаторы

В истории развития физики и техники полупроводников можно выделить четыре периода.

Первый период охватываетXIX век и первую четверть XX века.

Первый сигнал о существовании класса веществ с необычными свойствами был подан в 1821 году Томасом Зеебеком. Зеебек приваривал друг к другу два разнородных металла, соединял их медным проводником и помещал внутрь петли, образованной проводником магнитную стрелку. Нагревая место спая с помощью свечи, Зеебек обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника отклоняется. Нагревание спая двух разнородных металлов порождает электрический ток. При этом, когда одним из элементов спая служил теллур, сульфид свинца отклонение стрелки резко возрастает. В чем причина этого эффекта так и осталось не выясненным. Почему не были проведены более детальные исследования? Главным образом из-за отсутствия воспроизводимости результатов.

Второй сигнал о наличии особого класса веществ был подан Фарадеем и остался не услышанным. В 1833 году Фарадей, изучая зависимость электропроводимости сернистого серебра, которое в то время считали металлом, установил, что электропроводимость его не падает, а возрастает с ростом температуры. В течение последующих пяти лет Фарадей обнаружил, что таким же образом ведет температурная зависимость проводимости во фториде свинца, сульфиде ртути, PbF₂, HgS и других материалах. Фарадей был первым, кто высказал предположение о возможном существовании целого класса веществ с необычными свойствами. Почему же не прислушались к призыву известного к тому времени ученому об изучении свойств этих веществ. Причина этого банальна: бурное плодотворное развитие любой области естествознания происходит только тогда, когда у практики есть потребность в знаниях.

Применительно к полупроводникам такая потребность сформировалась лишь через несколько десятилетий после работ Фарадея и явилась следствием развития телеграфной связи.

В 1873 году, то есть через сорок лет после пионерской работы Фарадея инженер-электрик из Лондона В. Смит занимался испытанием подводного телеграфного кабеля. Для изоляции кабеля использовался селен. Селен, будучи расплавленным, а затем быстро охлажденным, застывает в стекловидную массу с очень большим сопротивлением. Эта масса и использовалась в качестве изоляции. Помощник Смита Мей заметил, что на свету сопротивление селена резко уменьшается. Сообщение об этом факте Смитом стимулировало целый шквал экспериментов. Было установлено, что селен чувствителен даже к слабому свету Луны. Как оказалось, способность селена преобразовывать свет в электрические сигналы отвечала насущным потребностям. Селеновые устройства почти немедленно стали использоваться в различных оптических устройствах, в том числе и для передачи звука на большие расстояния.

Началось интенсивное изучение открытого эффекта, поиск более чувствительных к свету материалов. Вспомнили об открытии Фердинанда Брауна, сделанном в 1874 году: контакт сернистого свинца с металлом имеет малое сопротивление при одном направлении протекающего через него тока и очень большое – при противоположном.

В 1879 г. Е. Холл обнаружил, что при протекании тока в веществе, находящемся в магнитном поле, возникает разность потенциалов в направлении, перпендикулярном к направлению тока. Этот эффект, известный теперь под названием эффекта Холла, позволил определить знак (отрицательный или положительный) и концентрацию носителей, их подвижность. В частности, благодаря применению эффекта Холла удалось установить, что подвижность ионов, как правило, в тысячи раз меньше, чем подвижность электронов. Раздельное определение концентрации и подвижности носителей тока явились основанием для заключения о том, что электропроводность многих веществ имеет электронную природу, а не ионную, как предполагалось ранее. Другими словами, удалось отделить электронные материалы от ионных (электролитов).

К началу XX века благодаря усилиям немецкого электрохимика Кенигсбергера сформировались правильные представления о природе электропроводности полупроводников.

Казалось бы теперь все ясно? Однако в 1935 году другой ученый, один из самых известных в то время исследователей в области полупроводников, Б. Гудденопубликовал обширный обзор "Электропроводность электронных полупроводников" в котором пишет, что " полупроводников в кенигсбергеровом смысле не существует... Металлы, как например, графит, КРЕМНИЙ, титан цирконий ни в коем случае нельзя смешивать с электронными полупроводниками".

Столь категоричное суждение не явилось преградой для исследований свойств полупроводников.К тому времени получили широкое распространение кристаллические полупроводниковые детекторы, сконструированные О. В.Ло-севым в начале 20 годов. Им же в 1923 г. было обнаружено свечение при про­хождении тока через карбид кремния. В 1932 году на основе закиси меди был сконструирован твердотельный элемент – прибор, позволивший эффективно преобразовывать световую энергию в электрическую.

Таким образом первый этап - это предыстория учения о полупроводниках. Полу­проводники уже открыты, по совокупности специфических свойств выделены в особый класс веществ, но еще не сущест­вует физики полупроводников как самостоятельного раздела науки.

Необычные свойства полупроводников невозможно было объяснить на основе классической физики, и они не находили сколько-нибудь серьезного применения в технике. Созданные к этому времени кристаллические точечные диоды, выпрямители и фотосопротивления были маломощны, капризны, неустойчивы в работе и практически не выходили за пределы научных лабораторий

Второй период — период становления физики полупроводников как науки и создания приборов на основе полупроводниковых материалов—начался после возникновения кванто­вой механики и разработки более совершенной технологии выращивания чистых монокристаллов. К 1930 г. трудами А. Вильсона и Н. Мотта в Англии, В. Шоттки и К. Вагнера в Германии, А., Ф. Иоффе и Я. А. Френкеля в СССР были заложены основы современной физи­ки полупроводников. Теория Вильсона позволила установить связь между строением электронным оболочек атомов и тем, окажется ли кристалл, составленный из этих атомов, металлом диэлектриком или полупроводником.

После создания квантовой механики и зонной теории твердо­го тела удалось получить ответ на вопрос: в чем причина столь специфичного поведения веществ, относящихся к классу полупроводников. Более того, только в рамках зонной теории классификация веществ на проводники, изоляторы и полупро­водники получила законченную и обоснованную форму.

Концентрация и движение носителей заряда в полупровод­никах сильно зависят от наличия примесей в кристалле и от температуры, весьма чувствительны к действию электриче­ского и магнитного полей и светового облучения. Появляется обширная литература, посвященная исследованию всех этих эффектов и созданию на их основе разнообразных приборов. Однако в этот же период электронная лампа вытесняет кри­сталлические детекторы. К началу второй мировой войны они почти полностью сошли со сцены.

В 1948 г. Д. Бардин, В. Брэттен и В. Шокли открыли тран­зисторный эффект и создали первый полупроводниковый три­од (транзистор) — аналог усилительной лампы. С этого вре­мени начался новый, третий, период бурного развития полу­проводниковой радиотехники, автоматики и телемеханики.

Работа электронной лампы и транзистора основана на уп­равлении потоком свободных или квазисвободных электронов. Чтобы создать поток электронов в лампе, необходимо затра­тить энергию на нагревание катода и обеспечить на их пути высокий вакуум. В транзисторе необходимые электроны вво­дятся путем легирования кристалла при его выращивании и изготовлении прибора. Концентрация и плотность потока электронов в полупроводнике во много раз больше, чем в электронной лампе. Поэтому полупроводниковые приборы миниатюрны, экономичны, механически прочны и всегда готовый к действию. Уже во время войны создателям радиолокационных установок пришлось вспомнить о кристаллических детекторах, поскольку электронно-вакуумные выпрямители и преобразо­ватели частоты в области сантиметровых волн работали неэффективно. Электронные лампы исчерпали свои возможности и для развития других областей радиотехники. После создания транзистора широко развернулись научно-исследовательские работы по физике, химии и технологии полупроводников. Тео­ретически и экспериментально изучаются зонная структура полупроводников, поверхностные и контактные явления, р -п переходы и гетеропереходы, рассеяние электронов в кристалла и другие явления. Разработана технология синтеза и выращивания сверхчистых полупроводниковых монокристаллов. Про­мышленность ежегодно выпускает многие миллионы полупроводниковых диодов и транзисторов, которые повсеместно вытесняют электронные лампы. По сей день продолжается триумфальное развитие полупроводниковой техники, основан­ной на применении и совершенствовании этих приборов.

Однако в начале 60-х годов начали вырисовываться новые направления развития техники и стало ясно, что полупровод­никовые диоды и транзисторы ожидает та же судьба, которая постигла электронные лампы. Они будут применяться для решения ограниченного круга задач, а дальнейший прогресс техники связан с переходом от дискретных систем к инте­гральным схемам и более широкому использованию оптиче­ских явлений в полупроводниках.

Создание в 1957 году прототипа ИС, в 1962 г. инжекционных лазеров, в следующем году генераторов Ганна, появление нелинейной оптики, микро­электроники и оптоэлектроники, несомненно, свидетельствует о начале нового, четвертого, этапа в развитии физики и тех­ники полупроводников. Характерная особенность этого эта­па — непрерывный поиск новых полупроводниковых материалов, совершенствование технологиии получения классических полупроводников, широкое применение и непрерывное совершенствование оптических методов изучения свойств полупроводников, иссле­дование их взаимодействия с мощными потоками излучения, разработка и создание приборов, в основе механизма действия которых лежат различные физические явления.

Изучение полупроводников ведется широким фронтом, и поток литературы, посвященной отдельным вопросам, исклю­чительно велик.

Особенности электрофизических свойств полупроводников обу­словили их широкое применение для создания самых различных приборов. Полупроводниковые приборы используются для выпрям­ления переменного тока (диоды), преобразования или смещения частот, усиления и генерации электрических колебаний (транзи­сторы, СВЧ-диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды), преобразования тепловой энергии и энергии излучения в электрическую (термоэлементы и фотоэлементы), для преобразования электрической энергии в световую (фосфоры, светоизлучающие диоды, лазеры). Полупроводниковые приборы применяются также в качестве датчиков для измерения температуры (термисторы), регистрации светового и корпускулярного излучения (фоторезисторы и дозиметры), для измерения давления (тензодатчики) и магнитных полей (датчики Холла).

В основе работы каждого прибора лежит определенные физические процессы и явления. Другими словами, физика полупроводников представляет собой теоретическую основу полупроводниковой электроники. Успехи в области получения новых материалов и изготовленных на их основе приборов различного назначения во многом определяются уровнем знаний в области физики полупроводников.

---

Дата добавления: 2015-10-31