Концептуальная диаграмма

2. Направление, связанное с разработкой методов расчета и конструирования микроэлектронных элементов, схем и устройств.

3. Направление, связанное с созданием физико-технологической базы производства микросхем и устройств, или микроэлектронная технология. Основой этого направления являются физика твердого тела, техника нанесения пленок, теория взаимодействия излучений с твердым телом.

4. Направление, связанное с созданием схемотехнической базы микроэлектроники, – микроэлектронная схемотехника.

5. Направление, связанное с созданием методов и средств проектирования микроэлектронных систем, – микроэлектронная системотехника.

Данное учебное пособие посвящено рассмотрению первого направления. Основной его целью является изучение физических эффектов и явлений, лежащих в основе принципов работы микроэлектронных устройств, отличающихся высокими показателями по выполняемым функциям и качеству, массогабаритным показателям и надежности, технологичности конструкций и эффективности производства.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Дайте определение электроники.

2. Каковы основные требования к современной электронике?

3. Дайте определение микроэлектроники.

4. Пользуясь диаграммой, назовите основные разделы микроэлектроники.

5. Каковы основные направления микроэлектроники?

6. Как изменился размер микросхемы в процессе ее развития?

Глава 1
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Современную микроэлектронику иногда называют твердотельной, подчеркивая тем самым, что ее изделия включают твердотельные элементы: проводники, полупроводники, диэлектрики, ферромагнетики и т.д.

Различные материалы имеют разные свойства: электрофизические (тип и величина проводимости, температурный коэффициент); теплофизические (теплоемкость, теплопроводность, температурный коэффициент расширения – ТКЛР); оптические (коэффициенты поглощения и преломления) и т. д. В зависимости от типа электронного устройства необходимо использовать и учитывать те или иные свойства. Очевидно, что, скажем, в электронном устройстве можно не учитывать оптические свойства материалов, зато в оптоэлектронном устройстве они становятся определяющими. Например, коэффициент поглощения материала световода между источником и приемником света определяет затухание сигнала и эффективность работы устройства. Обычно электропроводность этого световода не играет роли, тогда как электропроводность проводника (полупроводника) в электронной схеме является определяющим свойством.

Необходимо уметь находить степень значимости того или иного свойства, особенно при контактах различных материалов. Например, разрабатывая электрический контакт, следует учитывать работы выхода контактирующих проводников (полупроводников). Иначе существенное различие работ выхода приведет к появлению контактной разности потенциалов, влияющей на линейность контакта и искажающей проходящий сигнал (см. гл. 7). В данном случае этот параметр материала (работы выхода) является одним из основных.

На первый взгляд, для работы электронной схемы теплофизические характеристики не являются существенными. Однако необходимо учитывать, что электронные устройства работают в режиме перепада температур: день – ночь, включено – выключено и т. д. Если мы спроектируем контакт материала с различными ТКЛР, то возможно возникновение в них механических напряжений и разрушение. Например, пленка, нанесенная на подложку с иным ТКЛР, в результате термоциклирования может растрескаться или отслоиться. Оказывается, при проектировании контактов необходимо учитывать разность температур и разность ТКЛР материалов.

Так мы пришли к выводу, что твердые тела имеют различные свойства (основные, существенные и несущественные) и при проектировании электронных устройств необходимо знать эти свойства и их зависимость от различных факторов. Чем же определяются свойства твердого тела? Это один из вопросов, ответы на которые мы попытаемся дать в данной главе.

Известно, что тела, имеющие разные химические составы, имеют разные свойства: олово (Sn) – металл, проводник; кремний (Si) – полупроводник, «плохой» проводник; алмаз (С) – изолятор и т. д.

Однако при температуре 13,2°C олово превращается в серый порошок; при добавлении к чистому кремнию мизерного количества примеси его проводимость возрастает на несколько порядков; нагретый до 930°C алмаз превращается в графит – проводник. Как следует из этих примеров, свойства твердого тела зависят не только от химического состава. В первом примере белое олово с тетрагональной структурой превратилось в серое олово, имеющее кубическую структуру. Во втором – чистый кремний приобрел примесные дефекты структуры. В третьем примере тоже описан фазовый переход алмаза кубической структуры в графит, имеющий гексагональную структуру. Очевидно, что свойства твердых тел зависят от их структуры и наличия дефектов. Ниже мы рассмотрим возможные структуры твердых тел, их дефекты и влияние последних на свойства твердых тел.