Напівпровідникова електроніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Напівпровідникова електроніка

Напівпровідникова електроніка, галузь електроніки, що займається дослідженням електронних процесів в напівпровідниках і їх використанням — головним чином в цілях перетворення і передачі інформації. Саме з успіхами П. е. зв'язані, в основному, високі темпи розвитку електроніки в 50—70-х рр. 20 ст і її проникнення в автоматику, зв'язок, обчислювальну техніку, системи управління, астрономію, фізику, медицину, в дослідження косміч. простори, в побут і т.д.

загрузка...

  Коротка історична довідка. Основні віхи розвитку П. е. — відкриття фотоефекту в селені (В. Сміт, США, 1873), відкриття однобічної провідності контакту металу з напівпровідником (До. Ф. Браун, 1874), використання кристалічних напівпровідників, наприклад галеніту (PBS), як детекторів для демодуляції радіотелеграфних і радіотелефонних сигналів (1900—05), створення меднозакисних (купроксних) і селенових випрямлячів струму і фотоелементів (1920—26) використання кристалічних детекторів для посилення і генерування коливань (О. Ст Лосев, 1922), винахід транзистора (В. Шоклі, В. Браттейн, Дж. Бардін, 1948), створення планарной технології (1959), поява інтегральної електроніки і перехід до мікромініатюрізациі електронного устаткування (1959—61). Великий вклад в створення П. е. внесли радянські учені — фізики і інженери (А. Ф. Іоффе, Н. П. Сажін, Я. І. Френкель, Би. М. Вул, Ст М. Тучкевіч, Р. Би. Абдулаєв, Же. І. Алферов, До. А. Валієв, Ю. П. Докучаєв, Л. Ст Келдиш, С. Р. Калашников, Ст Р. Колісників, А. Ст Красилов, Ст Е, Лашкарев, Я. А. Федотов і багато ін.).

  Фізичні основи П. е. Розвиток П. е. стало можливим завдяки фундаментальним науковим досягненням в області квантової механіки, фізики твердого тіла і фізики напівпровідників .

  В основі роботи напівпровідникових (ПП) електронних приладів і пристроїв лежать наступні найважливіші властивості напівпровідників і електронні процеси в них: одночасне існування носіїв заряду двох знаків (негативних — електронів провідності і позитивних — дірок); сильна залежність величини і типа електропровідності від концентрації і типа домішкових атомів; висока чутливість до дії світла і тепла, чутливість до дії магнітного поля і механічної напруги; ефект однобічної провідності при протіканні струму через замикаючий шар електронно-діркового переходу ( р—n -перехода) або Шотки бар'єру, нелінійність вольтамперних характеристик таких шарів, введення (інжекція) неосновних носіїв, нелінійна ємкість р—n -перехода; тунельний перехід носіїв крізь потенційний бар'єр (див. Тунельний ефект ) ; лавинне розмноження носіїв в сильних електричних полях; перехід носіїв з одного мінімуму енергетичної зони в іншій із зміною їх ефективної маси і рухливості і ін.

  Одін з ефектів, найширше використовуваних в П. е., — виникнення р—n -перехода на кордоні областей напівпровідника з різними типами провідності (електронною — в n -області, дірковою, — в р -області); його основні властивості — сильна залежність струму від полярності напруги, прикладеної до переходу (струм в одному напрямі може в 10 6 раз і більш перевищувати струм в ін. напрямі) і здібність до інжекції дірок в n -область (або електронів в р -область) при включенні напруги у напрямі пропускання струму через р—n -переход. Властивості, близькі до властивостей р—n -перехода, має бар'єр Шотки, що володіє вентильними властивостями (однобічною провідністю), але що не володіє здібністю до інжекції. І р—n -переход, і бар'єр Шотки володіють електричною ємкістю, що змінюється по нелінійному закону із зміною напруга. При перевищенні зовнішньою зворотною напругою певної величини в них розвиваються явища пробою. Поєднання два р—n- переходів, розташованих близько в одному кристалі напівпровідника, дає транзисторний ефект: ефект управління струмом замкнутого переходу за допомогою струму відімкненого переходу. Три р—n -перехода в одному кристалі, розділяючі чотири області поперемінно електронній і дірковій провідності, утворюють тиристор . Вирішальне значення для П. е. має транзисторний ефект: саме на його основі працюють ПП прилади основного типа — транзистори, які визначили корінні зміни в радіоелектронній апаратурі і ЕОМ(електронна обчислювальна машина) і забезпечили широке вживання систем автоматичного управління в техніці.

  До фізичних явищ, які в початку 70-х рр. 20 ст стали використовувати в П. е., відноситься і акустоелектрічеський ефект в діелектричних і ПП матеріалах. На основі цього ефекту виявилося можливим створювати підсилювачі електричних коливань, активні електричні фільтри, лінії затримки з посиленням сигналу, що привело до появи нового напряму П. е. — акустоелектроніка.

  Одна з найбільш загальних біс розвитку П. е. — тенденція до інтеграції самих різних фізичних ефектів в одному кристалі. П. е. починає змикатися з електронікою діелектричних матеріалів (див. Діелектрична електроніка ) , магнітних матеріалів і т.д., перетворюючись поступово на електроніку твердого тіла в найширшому сенсі цього слова.

  ПП технологія. Головні технологічні завдання П. е. — здобуття напівпровідникових матеріалів (в основному монокристалічних) з необхідними властивостями, реалізація складних структур (перш за все р—n -переходов) ПП і розробка методів виготовлення напівпровідникових приладів, в яких ПП шари поєднуються з діелектричними і металевими. Утворення р—n -переходов зводиться до введення в напівпровідник необхідної кількості потрібних домішок в строго певних областях. В даний час (1975) поширено 3 способи здобуття р—n -переходов: сплав, дифузія і іонне впровадження (імплантація).

  При сплаві на поверхню пластини з напівпровідника, що володіє одним типом провідності (наприклад, на n -ge, багатий донорами ) , поміщають шматочок металу, проникнення атомів якого в напівпровідник здатне додавати йому провідність ін. типа (наприклад, шматочок In, атоми якого служать в Ge акцепторами ) , і нагрівають пластину. Т. до. температура плавлення In значно нижча за температуру плавлення Ge, то In розплавляється, коли Ge ще залишається в твердому, кристалічному стані. Ge розчиняється в крапельці розплавленого In до насичення. При подальшому охолоджуванні розчинений Ge починає виділятися з розплаву і кристалізуватися знов, відновлюючи частину кристала, що розчинилася. В процесі кристалізації атоми Ge захоплюють з собою атоми In. Шар Ge, що утворився виявляється збагаченим In і набуває провідності діркового типа. Т. о., на кордоні цього шару і частини кристала Ge, що не розчинилася, утворюється р—n -переход.

  При дифузії, наприклад, з газової фази пластина напівпровідника, що володіє, скажімо, електронною провідністю, поміщається в пари речовини, що додає напівпровіднику дірковий характер провідності і що знаходиться при температурі на 10—30% нижче за температуру плавлення напівпровідника. Атоми речовини-дифезанта, здійснюючи хаотичний тепловий рух, бомбардують відкриту поверхню напівпровідника і проникають в глиб його об'єму. Максимальна концентрація їх створюється в приповерхневому шарі. Цей шар набуває діркової провідності. У міру видалення від поверхні концентрація акцепторів падає і в деякому перетині стає рівній концентрації донорів. Цей перетин відповідатиме положенію р—n -перехода. У шарах розташованих більш глибоко, переважають донори, і напівпровідник залишається електронним. Поширені також і ін. методи дифузії: дифузія з тонких шарів дифезанта, нанесених безпосередньо на поверхню напівпровідника, із скловидних шарів, що містять дифезант, в потоці інертного газу, змішаного з парами дифезанта, і т.д. Як дифезант можуть використовуватися не лише чисті донори або акцептори, але і їх з'єднання. Метод дифузії — основний метод здобуття р—n -переходов.

  Іонне впровадження є одним із способів здобуття р—n -переходов, доповнюючим і частково замінюючим дифузію ( мал. 1 ).

  Виключно важливу роль в розвитку П. е. зіграло появу і швидке поширення планарной технології. Велике значення планарной технології визначається тим, що вона забезпечила: широкий перехід до групового методу виготовлення ПП приладів (одночасно на одній ПП пластині виготовляється декілька тисяч приладів); істотне підвищення точності і відтворюваності конфігурації елементів приладів і пов'язане з цим підвищення відтворюваності електричних параметрів; різке зменшення розмірів елементів і зазорів між ними — до мікронних і субмікронних — і створення на цій основі СВЧ(надвисокі частоти) підсилювальних і генераторних транзисторів ( мал. 2 ); реалізацію т.з. польових приладів, у тому числі польових транзисторів ; можливість створення на одному ПП кристалі закінченого електронного пристрою — ПП інтегральної схеми, що включає необхідне число окремих приладів (діодів, транзисторів і ін.) ПП, резисторів, конденсаторів і з'єднань між ними. Головне достоїнство планарной технології в тому, що саме вона зробила можливим інтенсивний розвиток інтегральної мікроелектроніки, привела до зникнення грані між виготовленням деталей і елементів електронної техніки і виготовленням радіоелектронної апаратури. Послідовні процеси виготовлення ПП матеріалів, потім — ПП приладів і, нарешті, пристроїв, раніше значно рознесені в часі і роз'єднані в просторі, виявилися поєднаними в одному технологічному циклі.

  Особливості ПП виробництва. Велика складність виробів П. е., їх вельми висока чутливість до мікроскопічних доз забруднень і неможливість виправлення браку висувають виключно високі вимоги до якості матеріалів, точності роботи устаткування і умов виробництва. У багатьох випадках йдеться про гранично досяжних (на сучасному рівні техніки) вимогах, що істотно перевершують вимоги, ін., що висуваються галузями техніки.

  Матеріали П. е. повинні мати строго заданий склад і структуру, незрідка — володіти виключно високою чистотою і досконалістю структури. Так, наприклад, Ge високої чистоти характеризується вмістом неконтрольованих домішок < 10 -10 .

  Про вимоги до точності роботи устаткування можна отримати виставу на прикладі оптіко-механічніх установок. Для створення на поверхні пластини діаметром 30—80 мм сотень тис. елементів різної форми і розмірів застосовують шаблони, за допомогою яких послідовно проводять декілька дифузійних процесів, наносять металеві плівки і т.д. При виготовленні фотошаблонів і поєднанні чергового шаблону з малюнком, раніше нанесеним на ПП пластину, точність роботи оптіко-механічного устаткування повинна складати десяті долі мкм. Тому оптична частина устаткування розробленого спеціально для потреб П. е., характеризується надвисокою роздільною здатністю, що досягає більше 1000 ліній на мм (у вживаних фотоматеріалів вона ще вища — 1500 ліній на мм ) , і не має аналогів в ін. областях техніки. Зменшення розмірів елементу до 1 мкм і перехід до субмікронних розмірів створюють значні труднощі, обумовлені головним чином явищем дифракція . Їх подолання — в переході від світлових променів до електронних, які можуть бути сфокусировани до десятих і сотих доль мкм. В цьому випадку мінімальний розмір елементу визначатиметься діаметром електронного променя. Механічна обробка ПП пластин повинна здійснюватися по 14-у класу чистоти обробки поверхні, з відхиленнями від плоскості (площинною), що не перевищують 1 мкм. Особливі вимоги висуваються також і по відношенню до термічному устаткуванню: точність установки і підтримки температури на рівні 1000—1300 °С має бути не гірше ± 0,5 °С.

  Дуже жорсткі вимоги пред'являються до умов виробництва виробів П. е. Газове середовище, в якому проходят деякі,, найбільш важливі технологічні процеси повинні піддаватися ретельному осушенню і знепилюванню. Вміст в ній вологи вимірюється долями відсотка і оцінюється по температурі газу, при якій настає конденсація вологи (по точці роси). Якщо в цеховій атмосфері підтримується т.з. комфортна вологість (відповідна відносній вологості 50—60%), то в спеціальні бокси (скафандри), в яких здійснюється, наприклад, збірка виробів ( мал. 3 ), подається повітря, азот або аргон, осушений до точки роси, рівної, — (50—70) °С. Один з найбільш серйозних ворогів ПП виробництва — пил. Одна порошинка розміром в декілька мкм, що попала на поверхню пластини в ході процесів фотолітографія, майже завжди приводить до непоправного браку. Залежно від складності виробу і деяких ін. вимог запилена повітря на робочому місці біля оброблюваної пластини ПП повинна складати не більше 4000 порошинок на м 3 . Настільки низький рівень запиленої забезпечується устаткуванням усередині цехів т.з. чистих кімнат, доступ в яких дозволяється лише обмеженому колу осіб. Персонал, що працює в чистих кімнатах, переодягається в спеціальний одяг і проходіт до робочого місця через герметичні шлюзи, де виробляється обдування одягу і видалення пилу. У чистих кімнатах до 300 раз на годину здійснюється повний обмін повітря з пропусканням його через відповідні фільтри. Абсолютно обов'язкове дотримання персоналом вимог особистої гігієни: регулярне і ретельне миття рук, носіння спеціального одягу рукавичок, шапочок і косинок і т.д. Всі ці заходи є абсолютно необхідною умовою для забезпечення високих економічних показників і якості продукції, що випускається, у тому числі надійності виробів.

  Вдосконалення радіоелектронної апаратури (на базі досягнень П. е.). Вважається, що апаратура на електронних лампах — це перше покоління електронної апаратури, на дискретних приладах ПП — друге покоління, на інтегральних мікросхемах — третє покоління. Поява площинних діодів і транзисторів дала можливість перейти до заміни електровакуумних приладів напівпровідниковими. Це дозволило в десятки раз зменшити масу і габарити апаратури, знизити споживану нею потужність, підвищити надійність її роботи. Практичною межею мініатюризації електронної апаратури за допомогою дискретних елементів стала мікромодульна конструкція (див. Мікромодуль ) . Подальше зменшення габаритів апаратури шляхом зменшення розмірів дискретних деталей і елементів привело б до значного зростання трудомісткості збірки і, що особливо небезпечно, до різкого зниження надійності апаратури за рахунок помилок і недостатньо високої якості з'єднань. Перехід до інтегральної мікроелектроніки з'явився якісним стрибком, що відкрив можливість подальшого зменшення габаритів і підвищення надійності електронного устаткування; з'явилася можливість включати до складу інтегральної мікросхеми різні електропреобразовательниє прилади, прилади оптоелектроніки, акустоелектроніка і прилади ін. класів.

  Нові принципи виготовлення електронних пристроїв, що розвинулися, з одного боку, з техніки друкарського монтажу (гібридні інтегральні мікросхеми) і, з ін. сторони, з техніки групового виготовлення багатьох елементів на одному кристалі (монолітні або ПП інтегральні мікросхеми), збільшили еквівалентну щільність упаковки елементів (транзисторів, діодів, резисторів) до декількох тисяч і десятків тисяч елементів в см 2 . Так почалася мікромініатюрізация електронної апаратури. Інтегральна мікросхема зажадала вирішення завдань схемотехніки. П. е . у своєму розвитку вступила у фазу мікроелектроніки .

  Розвиток мікроелектроніки характеризується швидко наростаючим рівнем інтеграції: від декількох еквівалентних діодів і транзисторів в одному корпусі до виготовлення великих (БІС) і надвеликих (СБІС) інтегральних мікросхем. Число функціональних елементів в них може складати декілька тисяч і навіть декілька десятків тисяч ( мал. 4 ). Т. н. багатокристальні СБІС можуть об'єднувати в одному корпусі декілька кристалів БІС і дискретних безкорпусних діодів і транзисторів, створюючих, наприклад, всю електронну частину обчислювальної машини, включаючи і електронну пам'ять. При створенні таких складних пристроїв електронної техніки доводиться вирішувати вже не лише завдання схемотехнік, але і завдання системотехніки . Збільшення міри інтеграції привело до реалізації тих або інших властивостей, властивих дискретним приладам, наприклад підсилювальних (як в транзистора), випрямляючих (як в діода), в об'ємах кристала, що мають розмір всього лише декілька десятків або сотень міжатомних відстаней. Намічається перехід до використання властивостей, розподілених за об'ємом кристала, тобто перехід від інтеграції електронних приладів з функціями, зосередженими в якому-небудь об'ємі, до інтеграції функцій розподілених за всім обсягом кристала. Так зароджується четверте покоління електронної апаратури.

  Продукція П. е . Номенклатура ПП приладів виключно широка, вона налічує десятки тис. типів приладів, в основному кремнієвих. Світова промисловість випускає (1974) понад 10 млрд. дискретних приладів ПП і більше 1 млрд. інтегральних мікросхем в рік. Розвиток мікроелектроніки не відбився істотним образом на темпах зростання випуску дискретних приладів ПП; потреба в них, мабуть, зберігатиметься ще тривалий час. Поява всіляких приладів ПП дозволила здійснити складні, частенько принципово нові електронні пристрої і створити самостійну галузь електронній промисловості промисловість, що виробляє дискретні прилади і інтегральні мікросхеми ПП.

  вироби П. е, що Випускаються промисловістю. характеризуються високими експлуатаційними властивостями: вони можуть працювати в діапазоні температур від —60 до +200 °С, витримувати значні механічні і кліматичні навантаження (вібрації, удари, постійні прискорення, циклічні зміни температури, дія вологи і т.д.); вони характеризуються інтенсивністю відмов ~10 -6 —10 -9 відмови в годину в реальних умовах експлуатації.

  Перспективи розвитку . Розвиток П. е. відбувається у напрямі швидкого зростання міри інтеграції, яка часто досягає 10—20 тис. ПП приладів на одному кристалі (1975), а також у напрямі підвищення потужності і частоти електромагнітних коливань, що перетворюються в одному ПП приладі (до сотень Вт і десятків Ггц ) , у тому числі створення ПП генераторів і підсилювачів міліметрового діапазону. Поряд з інтеграцією великого числа схожих приладів розвивається також інтеграція в одній мікросхемі приладів, що використовують різні фізичні принципи. При цьому, окрім фізичних процесів в напівпровідниках, використовують процеси в діелектриках, надпровідниках (наприклад, Джозефсона ефект ) , магнітних плівках і т.д. ПП елементи, наприклад холодні катоди з напівпровідниковими гетероперехідами, ПП аноди з p—n -переходом, в якому відбувається множення струму, матричні мішені відіконов, що містять 0,5—1 млн. фотодіодів, проникають також у вакуумну електроніку, дозволяючи істотно удосконалити деяких типів електровакуумних приладів.

  Літ.: Іоффе А. Ф., фізика напівпровідників, [2 видавництва], М. — Л., 1957; Федотов Я. А., Основи фізики напівпровідникових приладів, М., 1970; Інтегральні схеми, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970; Пасинків Ст Ст, Чиркин Л. До., Шинків А. Д., Напівпровідникові прилади, М., 1973; Кремнієві планарниє транзистори, під ред. Я. А. Федотова, М., 1973.

  А. І. Шокин.

Мал. 4. Велика інтегральна мікросхема для електронного годинника. У кристалі кремнію з активною площею близько 3 мм 2 створено 1438 n- і р-канальніх польових транзисторів, створюючих за допомогою двошарової системи зв'язків МІКРО-ЕОМ, яка веде відлік поточного часу доби (секунд, хвилин, годинника), днів тижня, дат; потужність, що витрачається, не більше 10 мквт .

 Мал. 1. Універсальна іоннолучевая установка «Везувій-1» (СРСР) з енергією іонів до 200 кев , що дозволяє здійснювати іонне легування напівпровідникових матеріалів практично будь-якими домішками: 1 — пульт управління; 2 — джерело і прискорювач іонів; 3 — магнітний сепаратор іонів; 4 — камера легування.

Мал. 3. Ділянка цеху, в якому виробляється чиста збірка напівпровідникових приладів.

Мал. 2. Структура потужного СВЧ(надвисокі частоти) кремнієвого транзистора, що дозволяє отримати потужність 5 Вт на частоті 2 Ггц (фотографія; збільшено). Транзистор містить 234 емітери з розмірами 1,5´30 мкм і 18 стабілізуючих резисторів; 18 алюмінієвої тяганини сполучають кристал приладу з виводами.