Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Ламповая дискретная электроника успешноиспользовалась для создания не очень сложных электрон+ных схем. Однако запросы вычислительной и военной тех+ники 50+х гг. ХХ в. требовали создания сложнейших элек+тронных систем, содержащих многие десятки тысяч схем+ных элементов. Перед электроникой возникли проблемы:· многократно повысить надежность электронных систем;· существенно уменьшить их габариты, вес и энергопо+требление;· значительно снизить себестоимость производства;· увеличить быстродействие.Ламповая электроника не позволяла кардинально решить ни одну из перечисленных проблем.Во+первых, она основывалась на использовании дис+кретных элементов, выполняемых из различных материа+лов, по несовместимым технологиям. В этих условиях зна+чительно увеличить производительность и снизить себе+стоимость схемных элементов было невозможно.Во+вторых, электронные схемы получались из дискрет+ных элементов путем их соединения, например, методомпайки проводников, соединяющих отдельные элементы.Часть 2.
ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ61Межсоединения являлись самой ненадежной частью схе%мы, а их создание не поддавалось полной автоматизации.В сложных электронных системах оказывалось так мно%го межсоединений, что возникшую тогда в электроникеситуацию назвали «тиранией межсоединений». В этихусловиях существенно повысить надежность сложныхэлектронных систем было невозможно. Например, первая(1948 г.) ламповая ЭВМ — ENIAC (Electronic Numerical In%tegrator and Computer), содержавшая примерно 20 000 ра%диоламп и еще больше межсоединений, могла беспере%бойно работать всего несколько часов. Для сравнениявспомним, что современные интегральные микросхемы,содержащие до миллиарда элементов, обеспечивают ком%пьютеру бесперебойную работу на протяжении ряда лет.В%третьих, принцип действия радиоламп таков, чтозначительно уменьшить их габариты, вес и энергопотреб%ление практически невозможно.
Поэтому, например, пер%вая ламповая ЭВМ ENIAC занимала площадь 200 м2, по%требляла около 200 кВт энергии, хотя по своим возмож%ностям значительно уступала современным персональнымкомпьютерам. Описанный недостаток ламповой электро%ники не позволял, в частности, создавать эффективнуюбортовую электронную аппаратуру, в чем остро нуждаласьвоенная техника.Итак, к пятидесятым годам прошлого столетияламповая электроника полностью исчерпала возможности удовлетворять запросы потребителей электронной техники. Возникла принципиально иная электроника, основанная на особых свойствах полупроводниковых структур.Полупроводниковая структура представляет собойграницу раздела между областями полупроводника с различными свойствами. Если эта граница разделяет слоиполупроводника с электронным и дырочным типом электропроводности, то она называется p–nпереходом; граница раздела слоев различного состава называется гетеропереходом. Используются также структуры, включаю%щие слои металла, диэлектрика и полупроводника.
Это такназываемые МДП или МОП%структуры. В МОП%структуре62НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьдиэлектриком обычно служит окисел проводника, напри$мер диоксид кремния (SiO2).Начало исследованиям полупроводниковых структурбыло положено немецким физиком К. Ф. Брауном, от$крывшим в 1874 г. эффект односторонней проводимостиконтакта металл–полупроводник.
Электрические харак$теристики подобных структур были нестабильными и не$воспроизводимыми, поэтому эти структуры не могли ис$пользоваться для создания электронных приборов. Од$нако длительные исследования, выполненные многимиучеными, позволили к середине ХХ в. преодолеть этот не$достаток. В 1948 г.
американские физики Дж. Бардин иУ. Браттейн создали стабильно работающий кристалли$ческий триод (Нобелевская премия, 1956 г.). Это был такназываемый точечный транзистор. Современную конст$рукцию и теорию транзистора разработал американскийфизик У. Шокли в 1951 г.Ламповые диод и триод были заменены кристалличе$скими диодом и транзистором. Возникла электроника,основанная на использовании дискретных полупроводни$ковых приборов. Надежность электронных схем и системзначительно увеличилась. Существенно уменьшились ихгабариты, вес и энергопотребление. Однако «тирания меж$соединений» сохранилась.
Себестоимость производства так$же осталась высокой. Поэтому электроника, основанная надискретных полупроводниковых приборах, просущество$вала недолго. После 1960 г. ее сменила интегральная полу$проводниковая электроника (микроэлектроника). Начал$ся третий этап развития электроники. Основным элемен$том сложных электронных систем стала интегральнаямикросхема (ИМС).Интегральная микросхема — это микроминиатюрныйфункциональный узел электронной аппаратуры, в котором активные, пассивные и соединительные элементы изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме материала и имеют общую оболочку.Изготовление всех элементов ИМС в едином технологи$ческом цикле и в одном материале позволяет использоватьвместо последовательной (индивидуальной для каждого эле$Часть 2.
ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ63мента) параллельную (групповую), весьма производитель$ную технологию. Себестоимость производства сложныхэлектронных систем в расчете на один схемный элементрезко уменьшилась. Возможность перехода на групповуютехнологию связана с тем, что полупроводниковая структура обладает практически всеми необходимыми схемными свойствами. Так, отдельный p–nпереход может использоваться как резистор, конденсатор, диод, переключательсигнала, стабилизатор напряжения, фоточувствительный элемент, светодиод, полупроводниковый лазер, а в сочетании с другими p–nпереходами — как транзистор,тиристор и т. д.
Следовательно, формируя на полупровод$никовом кристалле в одном технологическом цикле мно$жество p–n$переходов, можно создавать сложную ИМС.Развитие твердотельной интегральной электроникишло по пути уменьшения габаритов, увеличения быстро$действия, объема памяти и надежности электронных сис$тем. Именно на этом пути были разработаны методы ми$ниатюризации элементов ИМС, открывшие реальные воз$можности перехода к наноэлектронике (см. п.
6.8).Возникновение и развитие полупроводниковой микро и наноэлектроники стало возможным благодаря фундаментальным достижениям в области современнойквантовой теории твердого тела. Чтобы разобраться впринципе действия полупроводниковых приборов, ИМСи многих наноэлектронных устройств, необходимо изу$чить основы квантовой механики. Поэтому следующиепараграфы пособия посвящены повторению и некоторо$му расширению элементарных представлений о кванто$вой природе окружающего нас мира, полученных из кур$са физики средней школы.4.3.ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯКВАНТОВОЙ МЕХАНИКИКвантовая механика — раздел теоретической физики, изучающий законы движения микрочастиц и их систем. В отличие от классической, квантовая механика учи$тывает двойственную корпускулярно$волновую природу64НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьчастиц и квантуемость, т. е. скачкообразное, дискретноеизменение их многих характеристик.Квантовая механика — один из наиболее плодотвор'ных в прикладном отношении разделов физики. На нейбазируются многие современные отрасли техники. Сюдаотносятся микро', опто' и наноэлектроника, лазерная, плаз'менная и элионная технология, солнечная, атомная и тер'моядерная энергетика и т. д. Это объясняется тем, что за'коны квантовой механики в той или иной степени опреде'ляют свойства и поведение материальных структур отфизического вакуума до макротел (см. схему на рис. 2.2).В мире элементарных частиц, атомов и наноструктур за'коны квантовой механики играют решающую роль.
Ониопределяют также электрические, оптические и магнит'ные свойства кристаллов.В школьной программе по физике и химии квантовые представления связываются с дискретностью излучения и поглощения света, с фотоэффектом, с корпускулярноволновым дуализмом частиц, с соотношением неопределенностей Гейзенберга, со строениематома, с атомными спектрами, с принципом Паули,со структурой электронных оболочек и валентностьюатомов, с особенностью расположения атомов химических элементов в периодической системе Менделеева, со свойствами атомного ядра и элементарных частиц, с физикой полупроводников и полупроводниковыхприборов.В данном пособии мы повторим упомянутый вышеучебный материал и расширим его до объема, который не'обходим для осознанного восприятия основных идей мик'ро' и наноэлектроники.Первые представления о квантовой природе микрообъ'ектов и процессов возникли при изучении закономерно'стей теплового излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
