ОСНОВНІ МАТЕРІАЛИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ, ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ В ПРОЦЕСІ ЇЇ РОЗВИТКУ
Зміст
Введення
1. Основні етапи розвитку електроніки
1.1. Основна тенденція розвитку мікроелектроніки
1.2. Кремній і вуглець як основні матеріали технічних і живих систем
2. Основні матеріали мікроелектроніки
2.1 Фізична природа властивостей твердих тіл
2.2. Іонні та електронні напівпровідники
2.3. Нові перспективні матеріали для електроніки
Висновки
Література
Введення
Бурхливий розвиток радіоелектронної апаратури не могло відбуватися без істотного поліпшення її параметрів. У радіоелектроніки та електронної техніки з'явилося нове, успішно розвивається напрямок - мікроелектроніка. За порівняно короткий історичний відрізок часу (перший транзистор був виготовлений в 1948 році, перша інтегральна схема - в 1958 році) мікроелектроніка стала провідним напрямком, визначальним прогрес у розвитку радіоелектронної апаратури.
Твердотільна електроніка - це новий науково-технічний напрям, яка за допомогою фізичних, хімічних, схемотехнічних і технологічних методів і прийомів вирішує проблему створення високонадійних електронних пристроїв.
В якості основних конструкційних матеріалів в мікроелектроніці використовуються напівпровідники, метали і діелектрики. У даному рефераті розглянуті основні матеріали, які знайшли застосування в мікроелектроніці.
1. Основні етапи розвитку електроніки
У 1948 р. весь потенціал твердотільної електроніки переховувався в єдиному експериментальному зразку транзистора, дію якого було не зрозуміло навіть його творцям. Через 10 років твердотільні прилади вже виграли битву з лампами за обчислювальну техніку і породили об'єкт нового покоління - організоване скупчення транзисторів в одному кристалі, зване інтегральної мікросхемою.
Сучасний кристал масою в десятки міліграмів має значно більшу обчислювальну продуктивністю, ніж перші ЕОМ з масою в десятки тонн.
Мікроелектроніка - це спосіб організації електронних процесів, який дозволяє обробляти інформацію в малих обсягах твердого тіла. І ідеальної метою є система, що поєднує досконалість організації мозку з швидкодією твердотільних процесів.
Взаємопроникнення процесів розробки, синтезу, функціонування і деградації в перспективі веде до схеми реалізованої природою в біосистемах. При цьому в мікроелектроніці технологія набуває функціональне значення і визначає принципові можливості систем.
Точні інформаційні системи створюються методами фізико-хімічної технології. Ще в 1874 р. Браун відкрив розпрямлюючі властивість контакту метал-напівпровідник (PbS), і прилади цього типу навіть отримали досить широке розповсюдження в останній чверті минулого століття. Але винахід вакуумного діода (1904, Флемінг) і тріода (1906, Лі де Форест) поклало край цій ері напівпровідників. Теперішній час напівпровідників настало тільки в 50-х роках після винаходу транзистора, при цьому доречно згадати роботи Лішенфільда, який ще в 1925 році висловив ідею можливості створення польового транзистора. Однак першим в 1948 році Бардіним, Браттейном і Шоклі був створений біполярний транзистор, а через 10 років був реалізований і польовий транзистор.
1.1 Основна тенденція розвитку мікроелектроніки
Сучасна технологія мікроелектроніки заснована на двох принципах: послідовному формуванні тонких шарів або плівок при певних режимах і створення топологічних малюнків з допомогою мікролітографіі. Технологічні основи цих принципів йдуть углиб століть.
Одним з функціональних питань технології є питання чи можна повністю усунути механічні сумісництва і здійснити синтез твердотільної структури в єдиному фізико-хімічному процесі. Ті відомості, якими ми сьогодні маємо в своєму розпорядженні щодо матеріалів, фізико-хімічної технології та фізичних принципів не дозволяють дати позитивну відповідь. Однак розвиток живої природи (генетичний код), історія розвитку техніки говорить про те, що таке рішення можливо. Але радикальні зміни в технології завжди сполучені з новою фізикою, новими матеріалами та нової елементної бази.
Основна тенденція мікроелектроніки, стійко зберігається вже понад 40 років - підвищення ступеня інтеграції N. Перспективність цієї тенденції обумовлена тим, що при налагодженому серійному виробництві вартість виробів практично не залежить від їх складності і визначається в основному продуктивністю обладнання. Підвищити ступінь інтеграції N можна за рахунок зменшення розмірів елементів або за рахунок збільшення розміру кристала. Обидва ці способу успішно реалізуються на практиці.
Тут доречно зазначити, що реальні машини створювали електротехніки, лампові - радіоінженери, транзисторні - фахівці з фізики твердого тіла і твердотільної електроніки, ЕОМ на малих мікросхемах - фахівці з логічного проектування, ЕОМ на великих інтегральних мікросхемах - фахівці з системотехніці.
1.2 Кремній і вуглець як основні матеріали технічних і живих систем
Кремній був єдиним матеріалом, який розкрив потенціал твердотільної інтегральної схемотехніки, і він залишається практично єдиною основою планарної технології до теперішнього часу. Незважаючи на різноманіття нових матеріалів і нових принципів, кремній і сьогодні широко використовується.
Серед напівпровідників у кремнію є єдиний серйозний суперник - арсенід галію. Маючи більш високою рухливістю носіїв, GaAs дозволяє досягти в 5 разів більш високих меж швидкодії. Напівізолюючих арсенід галію відкриває шлях до ефективної внутрішньосхемного ізоляції, а як наслідок - до більш низької потужності розсіювання, ніж у кремнію. Кремній не дозволяє реалізувати випромінюючі діоди, але він забезпечує фотоприймальні системами весь видимий і близький ІК-діапазони.
Нарешті, існує ще два сильних фактори: доступність матеріалу і його нетоксичність для людини. Кремній повністю задовольняє обом критеріям. Наведемо дані поширеності в земній корі найбільш часто використовуваних матеріалів мікроелектроніки: Si - 26,0%, Al - 7,45%, C - 0,35%, P - 0,12%, Gd - 7,5 ∙ 10-4% , As - 5 ∙ 10-4%, Ge - 4 ∙ 10-4%, Ga - 1 ∙ 10-4%.
І так, сьогодні монокристалічний кремній - основа активної структури НВІС, полікремній - зв'язки і опору, окисел і нітрид кремнію - ідеальні діелектрики, а також оптичні хвилеводи. Кремній використовується для чутливих датчиків тиску.
Кремній і вуглець знаходяться в 4 групи періодичної системи. Вуглець є основою життя біосистем, а кремній основою "життя" кристалічних інформаційних систем. Таким чином мислячі C-системи доповнюють себе швидкодіючими Si-системами.
Основні матеріали мікроелектроніки
2.1 Фізична природа властивостей твердих тіл
Бурхливий розвиток радіоелектронної апаратури не могло відбуватися без істотного поліпшення її параметрів. У радіоелектроніки та електронної техніки з'явилося нове, успішно розвивається напрямок - мікроелектроніка. За порівняно короткий історичний відрізок часу (перший транзистор був виготовлений в 1948 році, перша інтегральна схема - в 1958 році) мікроелектроніка стала провідним напрямком, визначальним прогрес у розвитку радіоелектронної апаратури.
Твердотільна електроніка - це новий науково-технічний напрям, яка за допомогою фізичних, хімічних, схемотехнічних і технологічних методів і прийомів вирішує проблему створення високонадійних електронних пристроїв.
В якості основних конструкційних матеріалів в мікроелектроніці використовуються напівпровідники, метали і діелектрики. Історично відмінності між металами, напівпровідниками і діелектриками пов'язувалося з особливостями електропровідності цих тіл. До металам відносили речовини, що мають питому провідність, вимірювану величинами порядку 104 (Ом ∙ см) -1. Речовини, що мають питому провідність в межах 10-7 (Ом ∙ см) -1 і меншу, відносили до діелектрика. Всі матеріали, які мали питому провідність в межах 104 ÷ 10 -7 (Ом ∙ см) -1, вважалися напівпровідниками. З фізичної точки зору таке визначення не є досить точним. Наприклад, за допомогою введення домішок можна збільшити електропровідність напівпровідників на кілька порядків, зробивши її за величиною сумірною з провідністю металів, але при цьому вони не стануть металами. Від металів напівпровідники відрізняються не величиною, а характером залежності питомої електричної провідності, перш за все, від температури.
2.2 Іонні та електронні напівпровідники
У природі існує два типи напівпровідникових речовин: іонні напівпровідники і електронні напівпровідники.
Рис. 2.1. Освіта двокомпонентних напівпровідників
Сьогодні іонні напівпровідники не набули широкого поширення в техніці, так як при проходженні через них електричного струму змінюється їх склад, структура і форма.
До електронних напівпровідників відносяться величезна кількість самих різних речовин. Так як в цих речовинах струм переноситься електронами, то при проходженні не відбувається перенесення речовини і прилади можуть експлуатуватися тривалий час. До числа цих напівпровідників належать 13 простих речовин: бор B, вуглець C, кремній Si, фосфор P, сірка S, германій Ge, миш'як As, сіре олово Sn, сурма Sb, вісмут Bi, селен Se, телур Te, йод J. До них відносяться і ряд бінарних сполук типу AXBVIII - X, де A - елемент групи X, а B - елемент групи VIII - X (рис. 1.1). Такі сполуки як AgCl, CuBr, KBr, LiF та ін типу AIBVII ще не знайшли широкого застосування.
Найближчим часом будуть застосовані з'єднання типу AIIBVI, серед яких в першу чергу CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, HgTe, HgSe. Їх властивості зараз інтенсивно вивчаються. Поряд з сульфатами, телуриду і селеніду дуже перспективними матеріалами є антимоніду, арсеніди, фосфіди, нітриди алюмінію, галію, індію, бору, що відносяться до типу AIIIBV. Ці елементи вже сьогодні є одними з найважливіших напівпровідникових матеріалів. Напівпровідниковими властивостями володіють SiC і SiGe, що відносяться до типу AIVBIV. Напівпровідникові властивості виявлені у сполук типу AIVBVI, серед яких PbS, PbSe, PbTe, з'єднань типу AIBVI, серед яких CuS, CuO, Cu 2 O та ін Перспективними здаються складні сполуки і тверді розчини типу AXB 1 VIII - XB 2 VIII - X; A 1 XA 2 XBVIII - X; A 1 XA 2 XB 1 VIII - XB 2 VIII - X, наприклад, GaAsP, JnGaSb, ZnCdSeTe. Крім цих сполук напівпровідниковими властивостями володіє велика кількість більш складних з'єднань. Поряд з неорганічними матеріалами до напівпровідників відносяться і органічні матеріали, такі як антрацен, фталоцианин, короні і низка інших.
2.3 Нові перспективні матеріали для електроніки
У науці і техніці ведеться цілеспрямований пошук матеріалів, що володіють новими властивостями. В останні роки вченими інтенсивно вивчалися структура і властивості таких матеріалів як сіре олово, телурид ртуті, сплав вісмуту з сурмою. Найбільш інтенсивні властивості сірого олова і телуриду ртуті - це відсутність забороненої зони. Ці матеріали належать до бесщелевим напівпровідників. Заборонена зона в них відсутня за будь-яких діях, які не змінюють симетрію кристалічної решітки: нагрівання та охолодження у певному температурному інтервалі, всебічне стиск, введення домішок. Сплави вісмуту з сурмою, навпаки, набувають нових властивостей при різних зовнішніх впливах. Так, наприклад, під дією всебічного тиску, магнітного поля, при зміні хімічного складу цей матеріал може перейти в стан, що не має забороненої зони. У деяких сплавах системи вісмут-сурма під дією потужного магнітного поля утворюються екситонних фази, які представляють собою електрони і дірки, об'єднані в стійкі комплекси, що нагадують атоми водню і володіють виключно цікавими властивостями. Ці властивості зараз інтенсивно вивчаються з метою практичного використання.
Висновки
Бурхливий розвиток твердотільної електроніки почалося з винаходу транзистора в 1948 р.
Мікроелектроніка - це спосіб організації електронних процесів, який дозволяє обробляти інформацію в малих обсягах твердого тіла.
Основна тенденція мікроелектроніки, стійко зберігається вже понад 40 років - підвищення рівня інтеграції N.
Кремній був єдиним матеріалом, який розкрив потенціал твердотільної інтегральної схемотехніки, і він залишається практично єдиною основою планарної технології до теперішнього часу.
Твердотільна електроніка - це науково-технічний напрям, яка за допомогою фізичних, хімічних, схемотехнічних і технологічних методів і прийомів вирішує проблему створення високонадійних електронних пристроїв.
Література
1. Достанко А.П. Технологія інтегральних схем. - Мн.: Вишейшая школа, 1982. - 207 с.
2. Фізичне металознавство / За редакцією Кана Р., вип. 2. Фазові перетворення. Металографія. - М.: Світ, 1968.
3. Аваєв Н.А., Наумов Ю.Ф., Фролкін В.Т. Основи мікроелектроніки. - М.: Радіозв'язок, 1991.
4. Курносов А.І. Матеріали для напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем. - М.: Вища школа, 1980. - 450 с.
5. Чистяков Ю.Д., Райкова Ю.П. Фізико-хімічні основи технології мікроелектроніки. -М.: Металургія, 1979. - 230 с.