Методические

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

В.П. Михайлов

физические процессы в вакууме и полупроводниковых структурах и их использование в электронных приборах

Учебное пособие

по курсу "Физические основы электронных приборов"

Москва

Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

2012

содержание

Стр.

Раздел 1. Электровакуумные процессы и их

использование в электронных приборах

7

Основные понятия и определения 8

Физическое единство электронной техники 8

Вакуумирование рабочих объемов 11

Физические явления при вакуумировании рабочих объемов 14

Давление газа 14

Объем газа, ударяющегося в единицу времени о единицу поверхности 16

Длина свободного пробега молекул 17

Степени вакуума 18

Получение вакуума 20

Измерение давления вакуумной среды 23

Сорбционные и термовакуумные процессы 25

Растворимость газов в твердых телах. Газопоглощение и

газовыделение на границе «газ – твердое тело» 28

Диффузия газов в твердых телах 29

Рекомендуемые режимы обезгаживающего прогрева 32

Формирование потоков заряженных частиц в вакууме 37

Электронная эмиссия 37

Физическая сущность работы выхода электронов А_вых 38

Виды электронных эмиссий 40

1. Термоэлектронная эмиссия 40

2. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия 41

3. Вторичная электронная эмиссия 42

4. Фотоэлектронная эмиссия 43

Стр.

Законы фотоэлектронной эмиссии 43

Катоды электронных устройств 45

Конструкции катодов 46

Основные типы катодов 47

Физические процессы в электровакуумном диоде 54

Газовый разряд в вакууме, основные явления 75

Виды электронных приборов на основе

газового разряда в вакууме 79

Использование газоразрядной плазмы для формирования ионных пучков 86

Формирование пучков электронов в электронно-лучевых

приборах и для электронных технологий 89

Фокусирующие системы 92

Электронные линзы 93

Закон Лагранжа-Гельмгольца для электронных линз 95

Типы электронных прожекторов с электростатической

фокусирующей системой 97

Электронный прожектор с магнитной линзой 99

Отклоняющие системы (ОС) 101

Электростатические ОС 101

Магнитная отклоняющая система 103

Экраны электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) 105

ЭЛТ различного назначения 110

Приёмная цветная электронно-лучевая трубка (ЦЭЛТ) 111

Электронные пушки 116

Типы электронных пушек 117

Конфигурации электронных пучков 119

Формирование ленточного пучка 120

Формирование клиновидного пучка 123

Стр.

Формирование цилиндрического пучка 125

Формирование конического пучка 127

Раздел 2. Физические процессы в полупроводниковых

структурах 134

Зонная модель твердых тел 134

Собственные и примесные полупроводники 135

Кристаллические структуры типа алмаза и типа цинковой обманки 137

Индексы Миллера 137

Статистика подвижных носителей заряда 138

Концентрация носителей зарядов в примесных полупроводниках 144

Идеальный p-n – переход 147

Прямое включение внешнего источника напряжения 151

Обратное включение напряжения 152

ВАХ идеального p-n перехода 154

Физические процессы в диоде 154

Диод при подключении обратного напряжения 154

Диод при подключении прямого напряжения 156

Биполярный транзистор 158

Токи в транзисторе 159

Полевые транзисторы 160

Выходные характеристики МОП-транзистора с индуцированным

каналом 163

МДП транзисторы со встроенным каналом 163

Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора со

встроенным каналом 165

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом 165

Стр.

Статические характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом 166

Технология изготовления интегральных микросхем (ИМС) 168

Этапы технологического процесса изготовления ИМС 168

Рекомендуемая литература 171

Модуль 1

Физические процессы в электровакуумных приборах

Основные понятия и определения

Электроника – это научно-техническое направление, которое объединяет методы исследования, разработки, производства электронной техники и на основе которого развиваются отрасли производства, такие как машиностроение, приборостроение, атомная энергетика, строительство, художественное производство и т.д.

Классификация составных частей современной электроники

Электровакуумный прибор (ЭВП) – это электронное устройство, действие которого основано на использовании электрических, тепловых, оптических и других явлениях в твердом теле, вакууме или плазме.

Полупроводниковый прибор (ПП) – это электронное устройство, действие которого основано на использовании электрических, тепловых, оптических и других явлениях в полупроводниковых материалах.

ЭВП и ПП относятся к электронным приборам (ЭП). ЭП используются как элементы электронных систем и, как правило, не подлежат сборке, разборке или ремонту.

Физическое единство электронных приборов

При работе электронных приборов используются, как правило, единые физические процессы. Рассмотрим некоторые виды ЭП с точки зрения общих физических признаков.

1. Электровакуумный триод

1 – вакуумная среда 2 – катод 3 – сетка 4 – анод 5 – траектории электронов

1. Измерительный электронный прибор

Преобразователь манометрический ионизационный ПМИ-2

1. Электронно-лучевые трубки

1 – вакуумная среда 2–электронно-оптическая система (ЭОС) 3 – отклоняющая система 4 – экран с люминофорным покрытием 5 – траектория электронов

Специальные электронно-лучевые трубки

Осциллографические ЭЛТ

Радиолокационные ЭЛТ

1. Рентгеновские трубки

1 – массивный медный чехол на аноде для уменьшения интенсивности неиспользованного рентгеновского излучения

Виды рентгеновских трубок

1. Биполярный транзистор

1 – п/п материал (Si) 2 – эмиттер 3 – база 4 – коллектор 5 – траектории подвижных носителей заряда (электронов) 6 – эмиттерный переход 7 – коллекторный переход

1. Общая схема ЭП и технологического оборудования,

использующего ЭТ

1 – среда (вакуум, воздух, полупроводник и т.д.) 2 – источник заряженных частиц (электронов, ионов) или электромагнитного излучения 3 – устройство управления потоком заряженных частиц или электромагнитного излучения 4 – объект воздействия 5 - поток заряженных частиц или электромагнитного излучения

Таким образом, изучение курса построено по следующему принципу:

Сначала представлен ряд физических явлений:

1. вакуумирование замкнутых объёмов;

2. формирование потоков заряженных частиц или электромагнитного излучения;

3. управление потоками при помощи электромагнитных полей или шаблонов;

4. взаимодействие потоков с мишенями.

Затем рассмотрены ЭП и ЭТ, в которых эти физические явления используются.

Цель курса – изучение физических основ современных электронных технологий и электронных приборов, методов их разработки и использования в различных отраслях промышленности.

Задачи курса:

• изучение основных физических явлений, лежащих в основе электроники;

• изучение типовых электронных технологий;

• изучение конструкции и принципа действия основных видов электронных приборов.

Вакуумирование рабочих объемов

Вакуум - газовая среда с давлением ниже атмосферного (P<P_атм), которая используется в технологии производства практически всех ЭП (ЭВП, ПП, ИМС и др.) и других изделий и которая необходима для работы ЭВП.

Согласно ГОСТ 8.417-81: 1Па=1Н/м²; 1бар=10⁵Па [Н/м²] = 750 мм рт. ст. =750 тор; 1тор=133,3Па.

Свойства вакуума (с позиции реализации в нем технологических процессов):

1. Вакуум предохраняет нагреваемые поверхности (нити накала, катоды и др.) от окисления, перегорания;

2. Вакуум позволяет формировать потоки заряженных и нейтральных частиц;

3. Благодаря вакууму потоки заряженных частиц могут беспрепятственно преодолевать межэлектродные расстояния (при этом они могут ускоряться, фокусироваться и отклоняться по заданной траектории);

4. Вакуум позволяет сохранить чистоту обрабатываемой поверхности материала или элементов ЭП (обеспечить отсутствие сорбированных молекул газа, паров углеводорода и воды, оксидов и др.) для технологических процессов диффузионной сварки, выращивания монокристаллов полупроводников, формирования элементов топологии на полупроводниковой пластине, обеспечения работы ЭП и т. д.

Требования ЭТ к вакууму

Технологический процесс	Давление, Па	Название вакума
Электронно-лучевая обработка а) сварка б) размерная обработка, резка в) плавка, зонная очистка г) электронная литография	10-3 10-3 10-3 10-5	ВВ (высокий) ВВ ВВ СВВ (сверхвысокий)
Ионная обработка а) очистка б) травление в) имплантация г) ионная литография	10-2 10-2 10-3 10-5	ВВ ВВ ВВ СВВ
Выращивание монокристаллов	10-4	ВВ
Нанесение тонких пленок а) нанесение пассивных элементов б) нанесение оптических элементов в) молекулярно-лучевая эпитаксия	10-3 10-6 10-9	ВВ СВВ СВВ
Контроль качества поверхности в вакууме а) сканирующая СВВ туннельная микроскопия б) атомно-силовая СВВ микроскопия	10-8... 10-10 10-8... 10-10	СВВ СВВ
Сборка фотоэлектронных приборов (приборы ночного видения)	10-10	СВВ
Вакуумная сушка	101	СВ (средний)
Вакуумная упаковка продуктов	103	НВ (низкий)

Требования ЭП к вакууму

ЭВП	Давление, Па	Название вакуума
Газонаполненые лампы накаливания Газотроны, люминесцентные лампы, газовые лазеры Электронно-лучевые трубки, приемно- усилительные лампы Лампы бегущей волны, магнетроны, клистроны Фотоэлектронные приборы	104 10-1 10-5 10-7 10-10	НВ СВ СВВ СВВ СВВ

Принципиальные схемы систем вакуумной откачки