Теормин

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СОВРЕМЕННЫХ ЭВМКОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ1. Поколения ЭВМ и их элементная база. Роль полупроводниковых материалов всовременных ЭВМ. Преимущества интегральных схем перед дискретными элементами.I поколение ЭВМ (1948-1958) создавалось на основе вакуумных электроламп, машинауправлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Элементная база:электронные лампы – диоды и триоды.II поколение ЭВМ (1959-1967). Эти машины обрабатывали информацию под управлениемпрограмм на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.Элементная база: полупроводниковые приборы.III поколение ЭВМ (1968-1973).

Управление работой этих машин происходило с алфавитноцифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер.Элементная база: малые интегральные схемы, содержавшие на одной пластинке сотни илитысячи транзисторов.IV поколение ЭВМ (1974–1982). Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС).Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ – персональные компьютеры (ПК).Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электроннойаппаратуры, повышению ее надежности, что привело к увеличению быстродействия ЭВМ иснижению ее стоимости.V поколение ЭВМ (1990 – настоящее время) создано на основе сверхбольших интегральных схем(СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов накристалле. Это: компьютеры на сверхсложных микропроцессорах; компьютеры с многимисотнями параллельно работающих процессоров.VI и последующие поколения ЭВМ.

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовымпараллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч)микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.Полупроводниковые приборы: интегральные схемы (микросхемы), полупроводниковые диоды,тиристоры, транзисторы, приборы с зарядовой связью.2. Технологическая база ЭВМ.

Закон Мура. Фотолитография. Степень интеграцииэлементов и минимальный топологический размер. Соединение элементов.Интегральной схемой (ИС) называют миниатюрное электронное устройство, выполняющеефункции преобразования и обработки сигналов и содержащее большое число активных ипассивных элементов.Основной вывод Мура: «Число компонентов на чипе удваивается каждый год».Фотолитография — метод получения рисунка на тонкой плёнке материала, широко используется вмикроэлектронике и в полиграфии. Для получения рисунка используется свет определённойдлины волны.В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителепространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральноймикросхемы и связей между ними.Минимальный топологический размер - толщина линий.Способ электрического соединения компонентов ИС - металлизация алюминием.Металлизация — метод модификации свойств поверхности изделия путем нанесения на егоповерхность слоя металла.Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены наодном полупроводниковом кристалле.Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполненыв виде плёнок.3.

Основные направления развития интегральных схем: кремниевые биполярные и МОПструктуры, арсенид - галлиевые и металл - полупроводниковые структуры. Перспективыразвития микроэлектроники.Технология «кремний на изоляторе» (КНИ, SOI): на кремниевой пластине формируется слой SiO2(изолятор), а поверх него - тонкий слой Si.МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый типполевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоемоксида кремния SiO2.Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладаетболее высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до250 ГГц.Углеродные нанотрубки - длинные цилиндрические структуры, состоящие из одной илинескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиесяобычно полусферой.

В зависимости от диаметра углеродные трубки проявляютметаллические или полупроводниковые свойства.Графен - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углеродатолщиной в один атом. Максимальная (среди известных материалов) подвижность электроновделает графен одним из самых перспективных материалов для наноэлектроники ипотенциальную замену кремния в интегральных микросхемах.4. Волны де Бройля, соотношение неопределенностей и волновая функция.

Спектрэлектронных состояний атома водорода и многоэлектронных атомов. Квантовыепереходы. Виды химической связи.Волны де Бройля — волны, связанные с любыми микрочастицами и отражающие их волновуюприроду. λ = h/p, где постоянная Планка h = 6.62 ∗ 10^(−34) Дж⋅ с.Одним из парадоксальных проявлений волновых свойств микрочастицявляется так называемое соотношение неопределенности.Рассмотрим свет, распространяющийся через щель с шириной, сравнимой сдлиной волны λ . В соответствии с принципом Гюйгенса каждая точка волновогофронта является источником вторичной волны.

Волны, исходящие из разных точекв плоскости щели интерферируют между собой, образуя на экране распределениеинтенсивности.Условие минимума: (Δ x)* sin β= λУгловая ширина центрального максимума оказывается тем шире, чем уже щель. Самымудивительным оказывается тот факт, что даже если мы ослабим пучок света до уровня, прикотором поток будет состоять из отдельных квантов, все равно на экране будет формироватьсяинтерференционная картина. То есть, даже отдельные кванты дают интерференционную картину.Каким-то непостижимым образом они друг с другом складываются, хотя испускаются отдельно.Каждой квантовомеханической системе можно поставить в соответствие волновую функцию Ψ(x,y, z, t), квадрат модуля которой |Ψ( x, y, z, t)|^2 и представляет вероятность обнаружить частицу внекоторой точке в данный момент времени, а сама волновая функция Ψ представляет амплитудувероятности.В многоэлектронных атомах потенциальная энергия электронов зависит не только от расстояниядо ядра, но также и от расстояния до других электронов.

Орбиты электронов в многоэлектронноматоме могут быть круговыми или эллиптическими. Соответственно. Форма электронного облакаможет иметь сферическую форму или форму гантели. Следовательно, чем больше электронов ватоме, тем более высокие энергетические состояния они занимают. Энергия каждого состояниябудет определяться не только радиусом орбиты электрона, но также ее формой, ориентацией, акроме того, величиной спина электрона.Ковалентная связь типична для органических молекул. Также, имеет место и в твердых телах,например, в веществах, состоящих из элементов четвертой группы. Заметим, что в из-за дефектовструктуры или из-за флуктуаций тепловых возмущений некоторые связи могут нарушаться.Высвободившиеся электроны становятся электронами проводимости.Металлический тип связи свойственен типичным металлам.

Ионы металла образуют решетку, аэлектроны внешней оболочки являются «обобществленными» электронами проводимости.При ионной связи происходит перенос валентных электронов с одного атома на другой, то есть,образование положительных и отрицательных ионов, связанных электростатическим(кулоновским) взаимодействием. Ионная связь характерна для соединений металлов с наиболеетипичными неметаллами, например, для молекулы NaCl и соответствующего ионного кристалла.Молекулярная связь: между молекулами с ковалентным характером взаимодействия.5. Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах. Разрешенные изапрещенные уровни энергии.

Энергетические зоны и уровень Ферми.Важнейшим свойством атомов и молекул как квантовых систем, состоящих из связанных междусобой микрочастиц, является то, что они могут принимать лишь определенные разрешенныезначения энергии. Одномерная потенциальная яма (одномерный ящик с бесконечными стенками)является грубым, но наглядным приближением для понимания и описания основныхзакономерностей поведения электрона в атоме. Так же как и в атоме, электрон локализован взамкнутой области и не выходит за ее пределы, то есть, ящик с бесконечными стенками можнорассматривать как определенную упрощенную аналогию атомной системы.Уровни энергии в потенциальной яме квантуются.Характер квантования определяется видом потенциала взаимодействия.Энергия Ферми (E_F) системы невзаимодействующих фермионов — это увеличение энергииосновного состояния системы при добавлении одной частицы.

Фермионы — частицы с полуцелымспином, обычно ½. При ненулевой температуре ферми-газ не будет являться вырожденным, инаселённость уровней будет плавно уменьшаться от нижних уровней к верхним. В качествеуровня Ферми можно выбрать уровень, заполненный ровно наполовину (то есть вероятностьнаходящегося на искомом уровне состояния быть заполненным частицей должна быть равна 1/2).Уровень энергии E , до которого заполнены электронные состояния, называется уровнем Ферми.6. Принципы разделения веществ на проводники (металлы), полупроводники и изоляторы(диэлектрики). Модель электронного газа. Оценка числа электронных уровней в единицеобъема проводника и полупроводника.Хорошая проводимость проводников (металлов) обусловлена большим количествомобобществленных электронов, которые классическая физика рассматривает как электронный газ.Электроны находятся в состоянии хаотического теплового движения со средней скоростью Vt ,сталкиваясь с колеблющимися ионами кристаллической решетки.Плотность состояний с энергией E недалеко от уровня Ферми Ef:N (E) описывает плотность возможных состояний.