Дискретная электроника на электровакуумных приборах.

Белорусский государственный университет

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Курс лекций для студентов

Специальностей

Радиофизика и

Физическая электроника

Факультета радиофизики и компьютерных технологий

Минск - 2011
Содержание

ВВЕДЕНИЕ.. 3

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 13

ГЛАВА 2. СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ДЫРОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ. 53

Глава 3. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОЙ НЕРАВНОВЕСНОСТИ.. 81

Глава 4. ГЕНЕРАЦИЯ И РЕКОМБИНАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА.. 100

ВВЕДЕНИЕ

Термин полупроводник был, по-видимому, введен автором учебника "Начальные основания опытной физики" Иваном Двигубским в 1826 году. " Тела, кои в рассуждении способности проводить электричество, занимающие как бы среднее место между проводниками и непроводниками, обыкновенно называются полупроводниками ". Из этой фразы следует, что уже около 200 лет назад различали вещества, которые " обыкновенно назывались полупроводниками ". Термины " проводник " и " изолятор " ввел в 1739 году профессор физики и теологии Оксфордского университета Дезагюлье, отразив этим способность тел передавать или не передавать электризацию на расстояние.

В.1. Основные этапы развития физики полупроводников.

«От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике – таков диалектический путь познания»

В.И.Ленин ПСС, т.29

В истории развития физики полупроводников можно выделить четыре периода.

Первый период – обнаружение необычных свойств и накопление экспериментальных данных – занимает период серединаXIX – начало XX века. О том, что существует класс веществ со свойствами, отличающимися как от проводников, так и от изоляторов, следовало из некоторых наблюдений начала XIX века. Так, в 1821 году, Томас 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. Был сделан вывод, что 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.

В 1833 году, Майкл 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. В 1873 г., 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 модулировать электрические сигналы светом отвечала насущным потребностям. Селеновые устройства стали использоваться в различных оптических устройствах, в том числе и для передачи звука на большие расстояния.

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).

В конце ХIХ столетия физики начали интенсивно изучать материалы, которые нельзя было отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Обратили внимание и на другие особенности в электрических свойствах веществ, которые из-за своей проводимости были названы полупроводниками: на спае теллура или сульфида свинца с металлом при нагревании возникала необычно высокая эдс, контакт сульфида свинца с металлом хорошо проводил ток в одном направлении и плохо - в другом. Формирование представлений о физических процессах, происходящих в полупроводниках затруднялось многообразием обнаруженных явлений. Тем не менее, уже в начале ХХ века природа электропроводности полупроводников получила правильное объяснение. Этому успеху в значительной степени способствовали работы немецкого электрохимика И.Кенигсбергера.

Казалось бы теперь все ясно? Однако в 1935 году другой ученый, один из самых известных в то время исследователей в области полупроводников, Б. Гудден опубликовал 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 – период бурного развития дискретной 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 готовы 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, свидетельствовало 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.

В.2. Этапы развития полупроводниковой электроники и микроэлектроники

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 2 аспекта:

- теоретический (научный) – исследование и изучение процессов;

- прикладной (промышленный) – создание соответствующих устройств.

Весь период развития элементной базы микроэлектроники можно разделить на четыре этапа:

Дискретная электроника на электровакуумных приборах.

Сборка на платах, соединения – проводами.

2) Дискретная электроника на транзисторах (с 1948г., когда был изобретен биполярный транзистор (Бардин, Бреттейн, Шокли). Эволюция технологии создания дискретных диодов и транзисторов:

3) Интегральные схемы (ИС) по планарной технологии ( 1957-1958г.) - è ИС (1965)-БИС(1975)-СБИС(1980)-УБИС (1990) и т.д.

4) Функциональные микросхемы, приборы, узлы. Производится интеграция не столько элементов, но и физических явлений и свойств.

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

3-й этап – это этап становления и развития «Микроэлектроники»

Микроэлектроника - область электроники, занимающаяся проблемами конструирования, изготовления и применения ИС.

ИС - изделия электроники, имеющие большую степень интеграции и выполняющие определяющую функцию преобразования и обработки сигналов.

История микроэлектроники (этапы развития)

1)1948 – открытие транзисторного эффекта и изобретение биполярного транзистора (Шокли, Барин, Бреттейн) (Рис. В-1 а)

2)1957-58-разработка планарной технологии + групповой метод + литография.

Разработка планарной технологии базировалось на: (а) локальном легировании (1957); (б) фотолитографии (1958) и (в) применении SiO₂ для защиты p-n-переходов от окружающей среды и в качестве маски в литографии и др. (1958).

Первые ИС-1958-1960, Промышленный выпуск - 1961-63 (США)

Если k=lnN, где k-степень интеграции, N-кол-во элементов в ИС, тогда:

Этапы: 1)1-я половина 60-х: k=1-2; мин.размер элемента -100 мкм (ИС)

2) 2-я пол.60-х-1-я пол.70-х: k=2-3, мин.р-р=10 мкм (СИС)

3) 75-80-е k>=3, мин.р-р=1 мкм (БИС)

4) >80-е k=4, мин.р-р-0.1 мкм (СБИС)

5) Параллельно, начиная с 70-х – 80-х годов - разработка микропроцессоров и микро ЭВМ (ПК, офисное оборудование, бытовое автоматизирование и компьютеризированное оборудование и т.д.). Прогресс в развитии интегральных схем за последние 40 лет можно проследить на рис. В-1.

Рис. В-1 (а) Первый точечный сварной биполярный транзистор (конец 40-х годов XX столетия), и его разработчики: W.Shokley, J.Bardeen, W.H.Brattain

(б) Первая интегральная схема (ИС) – (1958) Kilby, Texass Instruments (TI).	(в) Современная интегральная схема (процессор Intel i7 Nehalem) с ядром 45 нм. Включает: 4 cores (ядра), 8 MB L2 cash, интегрированный контроллер памяти, DDR3 I/O и QPI I/O.

1961: первая коммерческая цифровая ИС; 1966: первая коммерческая MOSFET IC;

1971: Первый микропроцессор (Intel).

Закон Мура

В 1965 году, один из основателей корпорации Intel Гордон Мур, в статье для журнала Electronics предсказал экспоненциальное увеличение (удвоение каждые 18-24 месяца) количества транзисторов в микросхемах (Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits / / Electronics. – 1965. – Vol. 38, № 8. – Р. 114–117) – рис В-2 (а). Выполнение этого эмпирического «закона Мура» подтверждено более чем 40-летней историей развития микроэлектроники (рис. В-2 (б-г)).

(а) (б)

(в) (г)

Рис. В-2. Закон Мура. (а) – Гордон Мур; (б) - рисунок из статьи Мура (1965 г). (в-г) - современные данные о выполнении закона Мура: (в) – замедление на 1-2 порядка, (г) ускорение роста количества элементов на чипе на некоторых этапах развития (например, в 1995-2000); переход к нанометровым размерам элементов СБИС.

Дата добавления: 2015-10-23