книги из ГПНТБ / Комов, А. Н. Физические основы микроэлектроники учеб. пособие

КУЙБЫШЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А, Н. КОМОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

КУЙБЫШЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А. Н. КОМОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Рассмотрено и утверждено Редакционным советом Куйбышев­ ского государственного университе­ та от 21 ноября 1972 г.

Куйбышев 1974

которых явились тонкопленочные и полупроводниковые интеграль­ ные схемы.

' Только на основе методов микроэлектроники можно создать эффективно действующие сложные радиоэлектронные устройства самого различного назначения, отвечающие требованиям современ­ ной техники. Вот один из примеров преобразования электронной техники. В период второй мировой войны стандартная радиостан­ ция армии США для наземных подразделений весила 16 кг, в кон­ це 50-х — начале 60-х годов — 6 кг, а к концу второй половины 60-х годов — уже 2 кг. Подобные результаты достигнуты благода­ ря принципиально новым направлениям в конструировании элек­ тронных схем — микроминиатюризации.

Под микроминиатюризацией или микроэлектроникой понима­ ется новое научно-техническое направление, охватывающее ком­ плекс проблем по созданию высоконадежной и дешевой миниатюр­ ной радиоаппаратуры, характерной чертой которой является пол­ ный или частичный отказ от дискретных радиоэлементов. %

Особенностью микроэлектроники является то, что она основ’ы- вается на самых новейших достижениях науки и техники, быстро осваивая такие явления, как оптические и магнитооптические, сверхпроводимость, электрические явления в жидких и твердых электролитах и т. д. С каждым днем все более интенсивно исполь­ зуются результаты исследований биологических систем.

§ 2. Основные направления микроэлектроники

Наибольшие усилия физиков, технологов и конструкторов со­ средоточены сейчас на разработках в области интегральной элек­ троники, т. е. на физических принципах и технологических методах создания микроэлектронных радио-технических схем- в едином тех­ нологическом цикле.

В настоящее время явно обозначились два направления разви­ тия микроэлектроники:

1.пленочные гибридные схемы;

2.полупроводниковые интегральные схемы.

1. Пленочные схемы

Эти схемы выполняются на изолирующих подложках наиболее перспективным методом вакуумного напыления. Метод вакуумного напыления позволяет получить с высокой воспроизводимостью на­ дежные соединения, резисторы и конденсаторы с достаточно широ­ ким набором номиналов.

Однако до сих пор еще не разработана технология, позволяю­ щая получать достаточно стабильные пленочные диодные и триодные структуры, а отсутствие активных элементов, естественно, не позволяет создавать в едином технологическом цикле пленочнке интегральные схемы.

4

2) использование в твердых схемах единого кристаллического монолита сокращает примерно на 70—80% число внутриблочных паяных соединений.

3) в твердых схемах как активные, так и пассивные элементы заключены в общий герметический корпус. В результате этого рез­ ко снижается воздействие внешних условий, ,в частности влажности.

Имеются данные, что некоторые виды твердых схем работали до 3- ІО6 схемо-часов без отказа.

Одним из достоинств интегральных полупроводниковых и тон­ ко-пленочных схем является скорость работы. Если у электронных ламп скорость их работы исчисляется в тысячных долях секунды, то с появлением полупроводниковых триодов скорость срабатыва­ ния возросла в 1000 раз. Применение тонких пленок дает фантасти­ ческую скорость работы, исчисляющуюся в наносекундах (милли­ ардные доли секунды).

§ 3. Трудности создания твердых схем

При наличии многих достоинств твердых схем их создание свя­ зано с рядом значительных трудностей. Основная проблема свя­ зана со все еще низким процентом выпуска годных приборов.

, Второй, не менее важной проблемой является рассеяние мощно­ сти и отвод тепла. ,

Ограничения, налагаемые на плотность упаковки саморазогревом электронной схемы, можно оценить на примере схемы с 4 - ІО8 элементами, на куб. метр. Каждый элемент этой схемы рассеивает только 1 мвт. Это дает общее выделение тепла 4* 105 вт/м3, что бо-

’лее чем достаточно для превращения схемы в обугленную массу. Существуют, правда, физические явления, которые могут как-то ре­ шить тепловую задачу, но пока это решение стоит на повестке дня. От специалистов, занимающихся разработкой микроэлектронных элементов и схем, требуется глубокое понимание весьма сложных физических процессов, протекающих в материалах, на основе кото­

рых построены элементы и схемы.

В связи с этим возникает необходимость серьезного, изучения физики твердого тела как теоретической основы принципов работы

1.А. В. В а с и л ь е в . «Микроминиатюризация военной электронной аппара­ туры». Изд-во Министерства обороны СССР, 1969.

2.В. И. Стафеев . «Микроэлектроника и некоторые ее проблемы». В сбор­ нике «Микроэлектроника» под ред. Ф. В. Лукина, вцш. 1. Изд-во «Советское ра­ дио», 1967.

3.С. Н! Л е в и н . «Основы полупроводниковой микроэлектроники». Перевод

сангл., под ред. Маслова. Изд-во «Советское радио», 1966.

4.«Введение в микроэлектронику», под ред. проф. И. П. Степаненко. Изд-во «Советское радио», 1968.

6

ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

ИСТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

§1. Двойственная природа электрона

Теория атомов и кристаллов, представляющих собой системы, состоящие из атомных ядер и электронов, неразрывно связана с по­ нятием энергетических уровней.

Изучение энергетического спектра базируется на соотношениях квантовой механики, одним из которых является уравнение Шре­ дингера.

Рассмотрение основных положений квантовой механики необхо­ димо начинать с изучения двойственной природы электрона, кото­ рая подтверждается обширной совокупностью экспериментальных фактов.

Многочисленные опыты показывают, что энергетические состоя­ ния атомов не являются произвольными, а соответствуют вполне определенным дискретным энергетическим уровням Е\, Е2, Ez,...,En. Такие уровни называются собственными значениями энергии части­ цы. Они различны для разных химических элементов, но одинако­ вы для всех атомов одного и того же элемента. Переход с уровня Е\ на уровень Е2 связан с излучением или поглощением дискретной порции энергии AE = hy, где

h — постоянная Планка, равная 6,6252-10~34 дж сек, у — частота излучения.

Величина энергии hy носит название энергии фотона или свето­ вого кванта (фотон — элементарна» частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света с). Ряд других экспериментальных данных характеризуют волновые свойства эле­ ментарных частиц, к которым относится и электрон. Опытным пу­ тем было установлено, что пучок электронов, создаваемый элек­ тронной пушкой, проходя через вещество с кристаллической струк­ турой, создает на люминисцентном экране совокупность концентри­ ческих дифракционных колец, подобно дифракционным кольцам, возникающим при световых явлениях.

Электроны под действием напряжения U, создающего электри­

7

ческое поле, достигают скорости ѵ, которая определяется известным соотношением:

Зная взаимное расположение дифракционных колец, можно най­ ти длину электронной волны подобно тому, как это делается в оп­ тике. Эксперименты показали, что длина волны К обратно пропор­ циональна скорости электронов

где р — импульс частиц.

Соотношение (1—2) называют соотношением де Бройля. Волно­ выми свойствами обладает не только пучок, но и отдельно взятый электрон. Это было доказано замечательным опытом Фабриканта, Бибермана и Сушкина в 1948 году.

Эксперимент заключался в следующем: через дифракционный прибор пропускался очень слабый пучок электронов, причем, про­ межуток времени между последовательными актами пропускания электронов примерно в 30 000 раз превышал время, необходимое для прохождения электрона через прибор. Это создавало уверенность в том, что на движение электрона, проходящего через прибор, дру­ гие электроны никакого влияния не оказывают. После эксперимента было обнаружено, что при длительной экспозиции фотопластинки, на ней возникала такая же дифракционная картина, какую дает, пучок электронов. Это явилось свидетельством того, что в движе­ нии отдельно взятого электрона проявляются волновые свойства.

Таким образом, в одних экспериментах обнаруживаются корпус­ кулярные свойства частиц (фотоэффект), в других, например, в опытах іс дифракцией частиц, — волновые свойства, т. е. электрон обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойства­ ми. Указанные два представления кажутся несовместимыми друг с другом с точки зрения классической физики. Однако квантовая теория позволяет примирить мх между собой.

§ 2. Волновое уравнение свободного электрона Волновая функция и ее физическое содержание

Из наличия у свободных электронов волновых свойств следует, что состояние движения их должно описываться волновыми урав­

нениями.

%

8

Рассмотрим случай некоторой волны, распространяющейся вдоль оси X без затухания. Подобная волна может быть описана известным уравнением

(1 - 3 )

где і|г = т ) : — амплитуда волны в точке X;

£ = -у - (X—длина волны),

Уравнению (1—4) можно придать такой вид, который позволил бы учесть движение электрона, имеющего массу т и скорость ѵ.

В случае движения свободного электрона полная энергия рав­ на его кинетической энергии Т. Пользуясь (1—2), получим:

Полученное уравнение описывает движение свободного электро­ на, обладающего энергией Е. Функция ф (х), являющаяся решени­ ем этого уравнения, называется волновой функцией.

В общем случае пространственного движения ф будет зависеть от всех трех координат.

Уравнение (1—7) примет вид

Соотношения (1—7) и (1—9) получены для свободного элек­ трона, когда функция описывающая его движение зависит только от координат и не зависит от времени. В случае же наличия времен­ ной зависимости уравнение (1—9) примет другой вид, а функция ф(х, у, г) заменится функцией ф (х, у, z, Т),

9