Микроэлектроника и наноэлектроника

Введение

Электротехника – это наука, исследующая вопросы производства, передачи, распределения и использования электрической энергии. Электрическая энергия в настоящее время более чем любые другие виды энергии используется в различных областях жизни. Этому способствуют следующие преимущества электрической энергии перед другими видами энергии:
- она легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую, химическую и др.);
- экономично и очень быстро (со скоростью света) передается на дальние расстояния;
- электрическими устройствами сравнительно просто управлять.
Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием улучшения технических параметров электронных систем с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Решение проблемы миниатюризации электронной аппаратуры связано с современным этапом развития электроники - микроэлектроникой.
Микроэлектроника - это область электроники, охватывающая исследование, конструирование, производство и применение электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Развитие микроэлектроники идёт главным образом в двух направлениях: повышение уровня интеграции и плотности упаковки в интегральных микросхемах, ставших традиционными; изыскание новых физических принципов и явлений для создания электронных устройств со схемотехническим или даже системотехническим функциональным назначением.
Включение дисциплины электроника и наноэлектроника в государственный образовательный стандарт объясняется тем, что принцип работы всех рабочих машин, используемых в области машиностроения, и построение устройств управления ими, базируется на основных фундаментальных понятиях данной дисциплины.
В данной работе будут рассмотрены основные вопросы, которые касаются предмета микроэлектроника и наноэлектроника.


1 Предмет дисциплины, основные цели и задачи, пример содержания дисциплины
Целью освоения дисциплины является:
- ознакомление магистров с основными представлениями квантовой физики и зонной теории твердых тел необходимыми для успешного освоения дисциплины;
- освоение магистрами физических основ микроэлектроники и наноэлектроники;
- ознакомление студентов с проблемами и перспективными направлениями в микроэлектронике и наноэлектронике.
Основными задачами дисциплины являются:
- получение знаний об основных физических процессах и явлениях, происходящих в полупроводниках и полупроводниковых структурах;
- ознакомление с основами физики полупроводниковых приборов;
- обобщение знаний для целенаправленного их использования при создании элементов, приборов и устройств микроэлектроники и наноэлектроники.
- формирование знаний в области современных тенденций развития микроэлектроники [1].
Приведем, на мой взгляд, наиболее полное содержание дисциплины, в котором ряд разделов может быть опущен в зависимости от направления обучения студентов:
- основные понятия квантовой механики и основы зонной теории твердых тел Корпускулярно-волновой дуализм. Волновое уравнение Шредингера, волновая функция, стационарное уравнение Шредингера. Принцип неопределенности Гейзенберга. Момент импульса и спин частицы. Квантовые статистики. Плотность состояний. Уравнение Шредингера для твердого тела. Одноэлектронное уравнение (волновая функция электрона в кристалле, теорема Блоха). Зоны Бриллюэна, эффективная масса электрона. Законы дисперсии. Изоэнергетические поверхности. Плотность состояний в разрешенных зонах. Функция распределения Ферми-Дирака. Концентрация носителей заряда в зонах. Зонные диаграммы твердых тел (прямозонные нерпямозонные полупроводники) и упрощенные зонные диаграммы наиболее распространенных полупроводников (Si, Ge, GaAs, GaN, ZnO). Заполнение зон электронами и деление твердых тел на металлы, диэлектрики и полупроводники;
- основы физики полупроводников. Статистика носителей заряда в собственных полупроводниках. Электроны и дырки. Равновесная концентрация носителей заряда, уровень Ферми, закон действующих масс. Зависимость концентрации носителей от температуры. Вырожденные и невырожденные полупроводники. Примесные уровни и примесная проводимость полупроводников, энергия активации. Статистика носителей заряда в примесных полупроводниках, положение уровня Ферми и температурная зависимость концентрации носителей в примесных полупроводниках. Компенсированные полупроводники;
- кинетические явления в полупроводниках. Классическая теория электропроводности твердых тел, ее недостатки. Кинетическое уравнение Больцмана, влияние электрического поля на функцию распределения носителей заряда. Электропроводность полупроводников. Дрейфовая скорость. Подвижность носителей заряда. Механизмы рассеяния носителей заряда, электрон-фононное рассеяние, рассеяние на дефектах кристаллической решетки. Температурная зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках. Процессы переноса носителей заряда в полукристаллическом полупроводнике;
- кинетические явления в полупроводниках (продолжение). Гальваномагнитные явления. Эффект Холла. Термоэлектрические явления. Теплопроводность полупроводников. Термомагнитные эффекты. Гальваномагнитные эффекты. Полупроводники в сильном электрическом поле, электрические домены, эффект Ганна;
- основы физики полупроводниковых приборов. Равновесное состояние pn- перехода. Природа токов через p-n-переход в равновесном состоянии. Энергетическая диаграмма p-n-перехода в равновесном состоянии. Прямое и обратное включение p-n-перехода. Омические переходы n-n+, p-p+. Классификация приборов на p-n- переходе. Явления с участием неравновесных носителей заряда

. Квазиуровни Ферми. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда, время жизни неравновесных носителей. Механизмы рекомбинации, излучательная и безызлучательная рекомбинация. Межзонная рекомбинация. Рекомбинация через уровни примесей и дефектов, поверхностная рекомбинация. Ожерекомбинация. Диффузия неравновесных носителей заряда, диффузионная длина. Полупроводниковые излучатели: светодиоды и полупроводниковые лазеры. Внутренний фотоэффект, фотопроводимость, фото-ЭДС. Полупроводниковые фотоприѐмники: фотосопротивления и фотодиоды. Солнечные элементы;
- основы физики тонких пленок и пленочных структур. Особенности структуры тонких пленок. Основные методы получения тонких пленок. Эпитаксиальные пленки. Основные параметры пленок. Система «Кремний На Изоляторе» КНИ («Кремний 8 На Сапфире» КНС), современное состояние, перспективы. Полупроводниковые гетеропереходы, сверхрешетки, приборные структуры. Квантовые ямы, приборные структуры [1, 2].

2 Основные положения микроэлектроники
Микроэлектроника - это область электроники, охватывающая исследование, конструирование, производство и применение микроэлектронных изделий, основной разновидностью которых являются интегральные микросхемы.
Интегральная микросхема (ИМС) - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигналов и (или) накопления информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которое с точки зрения требованиий к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.
В составе микроэлектроники выделяют три основных раздела - физику электронных процессов, технологию и микросхемотехнику. Микросхемотехника (интегральная схемотехника) – раздел микроэлектроники, охватывающий исследования и разработку электрических и структурных схем, используемых в ИМС и электронной аппаратуре на их основе.
Микросхемотехника является самостоятельной ветвью схемотехники, в которой используются оригинальные схемные и структурные решения, эффективно использующие специфические особенности интегральных микросхем с целью улучшения их основных характеристик. Эти особенности обусловлены интегральной технологией изготовления, которая накладывает определенные ограничения на параметры элементов и компонентов ИМС и в то же время открывает новые возможности их использования.
Принципы микросхемотехники являются результатом интенсивных исследований, направленных на выявление существенных различий между интегральными микросхемами и схемами на дискретных компонентах, и отражают специфику технологии производства ИМС и тенденцию роста степени интеграции их функциональных узлов. Таких принципа два: принцип взаимного согласования цепей и принцип схемотехнической избыточности при ограничении размеров полезной площади подложки или кристалла.
Принцип согласования цепей заключается в такой их конструкторско-технологической реализации, при которой требуемые электрические параметры оказываются пропорциональными друг другу в широком интервале внешних воздействий.
Принцип схемотехнической избыточности заключается в усложнении схемотехники ИМС для улучшения их качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности.
Принципы микросхемотехники обусловлены ограничениями и возможностями технологии изготовления.
Ограничения. Технология изготовления полупроводниковых интегральных схем преимущественно ориентирована на создание схем, в которых n-p-n-транзисторы имеют оптимальные параметры. При этом характеристики других элементов являются производными и значения их параметров в значительной степени предопределены и ограничены. С целью получения требуемых характеристик таких наиболее важных элементов, как транзисторы со сверхбольшим коэффициентом усиления или полевые транзисторы, в технологический процесс изготовления n-p-n-структур иногда вводят дополнительные стадии. Однако основной метод преодоления ограничений, обусловленных технологий изготовления, заключается в приспособлении схемно-конструктивных решений к требованиям технологии, а не в разработке специальной технологии для данной схемы.
Другое ограничение связано с реализацией высокоомных резисторов и конденсаторов с ёмкостями, превышающими десятки пикофарад, поскольку это сопровождается увеличением необходимой площади кристалла. Поэтому высокоомные резисторы обычно реализуются в виде большого динамического внутреннего сопротивления активных источников тока на транзисторах (для транзисторов не требуется большой площади), а в усилительных каскадах часто используются сложные элементы, такие как пары Дарлингтона, составные транзисторы и управляемые источники тока.
Большие ёмкости невозможно реализовать даже посредством увеличения их площади на кристалле. По этой причине недопустимо применение межкаскадных конденсаторов, а проблемы согласования уровней каскадов и стабилизации их режима решают в пределах более технологичной, хотя и усложнённой, схемотехники структур с непосредственными связями.
Резисторы с допустимым разбросом сопротивлений менее ±(5−10)% не могут быть получены без снижения выхода годных. Однако значения отношений сопротивлений с точностью, на порядок превышающей эти значения, можно достичь без дополнительного усложнения технологических процессов. Поэтому схемотехника ИМС направлена на то, чтобы качественные характеристики интегральных схем определялись не абсолютным значениями сопротивлений, а главным образом их отношениями.
Возможности. Интегральная технология открывает пути создания схемных элементов, позволяющих получить качественно новые свойства