ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
, отрасль
электроники,
занимающаяся
исследованием электронных процессов в полупроводниках и их использованием-
гл. обо. в целях преобразования и передачи информации. Именно с успехами
П. э. связаны, в основном, высокие темпы развития электроники в 50-70-х
гг. 20 в. и её проникновение в автоматику, связь, вычислит, технику, системы
управления, астрономию, физику, медицину, в исследования космич. пространства,
в быт и т. д.
Краткая историческая справка. Осн. вехи
развития П. э.- открытие фотоэффекта в селене (У. Смит, США, 1873),
открытие односторонней проводимости контакта металла с полупроводником
(К. Ф. Браун, 1874), использование кристаллич. полупроводников,
напр. галенита (PbS), в качестве детекторов для демодуляции радиотелеграфных
и радиотелефонных сигналов (1900-05), создание меднозакисных (купроксных)
и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920-26),
использование кристаллич. детекторов для усиления и генерирования колебаний
(О. В. Лосев, 1922), изобретение транзистора (У. Шокли, У.
Браттейн,
Дж.
Бардин, 1948), создание планарной технологии
(1959), появление
интегральной электроники и переход к микроминиатюризации электронного
оборудования (1959-61). Большой вклад в создание П. э. внесли сов. учёные
- физики и инженеры (А. Ф. Иоффе, Н. П. Сажин, Я. И. Френкель,
Б. М. Вул, В. М. Тучкевич, Г. Б. Абду-лаев, Ж. И. Алфёров,
К. А. Валиев, Ю.П. Докучаев, Л. В. Келдыш, С. Г. Калашников, В.
Г. Колесников, А. В. Кра-силов, В. Е. Лашкарёв, Я. А. Федотов и мн. др.).
Физические основы П. э. Развитие П. э.
стало возможным благодаря фундаментальным научным достижениям в области
квантовой
механики, физики твёрдого тела и физики полупроводников.
В основе работы полупроводниковых (ПП)
электронных приборов и устройств лежат следующие важнейшие свойства полупроводников
и электронные процессы в них: одновременное существование носителей
заряда двух знаков (отрицательных - электронов проводимости и положительных
- дырок); сильная зависимость величины и типа электропроводности от концентрации
и типа примесных атомов; высокая чувствительность к воздействию света и
тепла, чувствительность к действию магнитного поля и механич. напряжений;
эффект односторонней проводимости при протекании тока через запирающий
слой электронно-дырочного перехода (р - n-перехода) или Шотки барьера,
нелинейность вольтам-перных характеристик таких слоев, введение (инжекция)
неосновных носителей, нелинейная ёмкость р - n-перехода; туннельный
переход носителей сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект),
лавинное
размножение носителей в сильных электрич. полях; переход носителей из одного
минимума энергетия. зоны в другой с изменением их эффективной массы
и
подвижности и др.
Один из эффектов, наиболее широко используемых
в П. э., - возникновение р - га-перехода на границе областей полупроводника
с различными типами проводимости (электронной - в га-области, дырочной
- в р-области); его осн. свойства - сильная зависимость тока от полярности
напряжения, приложенного к переходу (ток в одном направлении может в 10s
раз и более превышать ток в др. направлении), и способность к ин-жекции
дырок в га-область (или электронов в р-область) при включении напряжения
в направлении пропускания тока через р-n-переход. Свойства, близкие
к свойствам р-n-перехода, имеет барьер Шотки, обладающий вентильными
свойствами
(односторонней проводимостью), но не обладающий способностью к ин-жекции.
И р-n-переход, и барьер Шотки обладают электрич. ёмкостью, изменяющейся
по нелинейному закону с изменением напряжения. При превышении внешним обратным
напряжением определённой величины в них развиваются явления пробоя. Сочетание
двух р-п-переходов, расположенных близко в одном кристалле полупроводника,
даёт транзисторный эффект: эффект управления током запертого перехода с
помощью тока отпертого перехода. Три р-n-перехода в одном кристалле,
разделяющие четыре области попеременно электронной и дырочной проводимости,
образуют тиристор. Решающее значение для П. э. имеет транзисторный
эффект: именно на его основе работают ПП приборы основного типа - транзисторы,
к-рые определили коренные изменения в радиоэлектронной аппаратуре и
ЭВМ и обеспечили широкое применение систем автоматического управления в
технике.
К физ. явлениям, к-рые в нач. 70-х гг.
20 в. стали использовать в П. э., относится и акустоэлектрический эффект
в
диэлектрич. и ПП материалах. На основе этого эффекта оказалось возможным
создавать усилители электрич. колебаний, активные электрич. фильтры, линии
задержки с усилением сигнала, что привело к появлению нового направления
П. э.-акустоэлектроники.
Одна из наиболее общих черт развития П.
э.- тенденция к интеграции самых различных физ. эффектов в одном кристалле.
П. э. начинает смыкаться с электроникой диэлектрич. материалов (см. Диэлектрическая
электроника), магнитных материалов и т. д., превращаясь постепенно
в электронику твёрдого тела в самом широком смысле этого слова.
ПП технология. Гл. технологич. задачи П.
э. - получение полупроводниковых материалов (в основном монокристаллических)
с требуемыми свойствами, реализация сложных ПП структур (прежде всего р-га-переходов)и
разработка методов изготовления полупроводниковых приборов, в к-рых
ПП слои сочетаются с диэлектрическими и металлическими. Образование р
-- п-переходов сводится к введению в полупроводник необходимого количества
нужных примесей в строго определённых областях. В наст, время (1975) распространены
3 способа получения р-п-переходов: сплавление, диффузия и
ионное
внедрение (имплантация).
При сплавлении на поверхность пластины
из полупроводника, обладающего одним типом проводимости (напр., на n-Ge,
богатый донорами), помещают кусочек металла, проникновение атомов
к-рого в полупроводник способно придавать ему проводимость др. типа (напр.,
кусочек In, атомы к-рого служат в Ge акцепторами), и нагревают пластину.
Т. к. темп-pa плавления In значительно ниже темп-ры плавления Ge, то In
расплавляется, когда Ge ещё остаётся в твёрдом, кристаллич. состоянии.
Ge растворяется в капельке расплавленного In до насыщения. При последующем
охлаждении растворённый Ge начинает выделяться из расплава и кристаллизоваться
вновь, восстанавливая растворившуюся часть кристалла. В процессе кристаллизации
атомы Ge захватывают с собой атомы In. Образовавшийся слой Ge оказывается
обогащённым In и приобретает проводимость дырочного типа. Т. о., на границе
этого слоя и нерастворившейся части кристалла Ge образуется р - га-переход.
При диффузии, напр., из газовой фазы пластина
полупроводника, обладающего, скажем, электронной проводимостью, помещается
в пары вещества, придающего полупроводнику дырочный характер проводимости
и находящегося при темп-ре на 10-30% ниже температуры плавления полупроводника.
Атомы вещества-диффузанта, совершая хаотическое тепловое движение, бомбардируют
открытую поверхность полупроводника и проникают в глубь его объёма. Макс.
концентрация их создаётся в приповерх-ностном слое. Этот слой приобретает
дырочную проводимость. По мере удаления от поверхности концентрация акцепторов
падает и в нек-ром сечении становится равной концентрации доноров. Это
сечение будет соответствовать положению р-га-перехода. В слоях,
расположенных более глубоко, преобладают доноры, и полупроводник остаётся
электронным. Распространены также и др. методы диффузии: диффузия из тонких
слоев диффузанта, нанесённых непосредственно на поверхность полупроводника,
из стекловидных слоев, содержащих диффузант, в потоке инертного газа, смешанного
с парами диффузанта, и т. д. В качестве диффузанта могут использоваться
не только чистые доноры или акцепторы, но и их соединения. Метод диффузии
- осн. метод получения р - n-переходов.
Ионное внедрение является одним из способов
получения р-п-переходов, дополняющим и частично заменяющим диффузию
(рис. 1).
Исключительно важную роль в развитии П.
э. сыграло появление и быстрое распространение планарной технологии. Большое
значение планарной технологии определяется тем, что она обеспечила: широкий
переход к групповому методу изготовления ПП приборов (одновременно на одной
ПП пластине изготовляется неск. тысяч приборов); существ. повышение точности
и воспроизводимости конфигурации элементов приборов и связанное с этим
повышение воспроизводимости электрич. параметров; резкое уменьшение размеров
элементов и зазоров между ними - до микронных и субмикронных - и создание
на этой основе СВЧ усилительных и генераторных транзисторов (рис. 2); реализацию
т. н. полевых приборов, в т. ч. полевых транзисторов; возможность
создания на одном ПП кристалле законченного электронного устройства - ПП
интегральной
схемы, включающей в себя необходимое число отд. ПП приборов (диодов,
транзисторов и др.), резисторов, конденсаторов и соединений между ними.
Главное достоинство планарной технологии в том, что именно она сделала
возможным интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, привела к
исчезновению грани между изготовлением деталей и элементов электронной
техники и изготовлением радиоэлектронной аппаратуры. Последовательные процессы
изготовления ПП материалов, затем - ПП приборов и, наконец, устройств,
ранее значительно разнесённые во времени и разобщённые в пространстве,
оказались совмещёнными в одном технологическом цикле.
Рис. 1. Универсальная ионнолучевая установка
"Везувий-1" (СССР) с энергией ионов до 200 кэв, позволяющая осуществлять
ионное легирование полупроводниковых материалов практически любыми примесями:
1 - пульт управления; 2 - источник и ускоритель ионов; 3 -магнитный
сепаратор ионов; 4 - камера легирования.
Рис. 2. Структура мощного СВЧ кремниевого
транзистора, позволяющего получить мощность 5 вт на частоте 2 Ггц
(фотография;
увеличено в 60 раз). Транзистор содержит 234 эмиттера с размерами 1,5X30
мкм
и 18 стабилизирующих резисторов; 18 алюминиевых проволочек соединяют
кристалл прибора с выводами.
Особенности ПП производства. Большая
сложность изделий П. э., их весьма высокая чувствительность к микроско-пич.
дозам загрязнений и невозможность исправления брака выдвигают исключительно
высокие требования к качеству материалов, точности работы оборудования
и условиям производства. Во мн. случаях речь идёт определьно достижимых
(на совр. уровне техники) требованиях, существенно превосходящих требования,
выдвигаемые др. отраслями техники.
Материалы П. э. должны иметь строго заданные
состав и структуру, нередко - обладать исключительно высокими чистотой
и совершенством структуры. Так, напр., Ge высокой чистоты характеризуется
содержанием неконтролируемых примесей <10-10.
О требованиях к точности работы оборудования
можно получить представление на примере оптико-меха-нич. установок. Для
создания на поверхности пластины диаметром 30-80 мм сотен тыс. элементов
различной формы и размеров применяют шаблоны, при помощи которых последовательно
проводят неск. диффузионных процессов, наносят металлические плёнки и т.
д. При изготовлении фотошаблонов и совмещении очередного шаблона с рисунком,
ранее нанесённым на ПП пластину, точность работы оптико-механич. оборудования
должна составлять десятые доли мкм. Поэтому оптич. часть оборудования,
разработанного специально для нужд П. э., характеризуется сверхвысокой
разрешающей способностью, достигающей более 1000 линий на мм (уприменяемых
фотоматериалов она ещё выше - 1500 линий на мм), и не имеет аналогов
в др. областях техники. Уменьшение размеров элемента до 1 мкм и
переход к субмикронным размерам создают значит. трудности, обусловленные
гл. обр. явлением дифракции. Их преодоление - в переходе от световых
лучей к электронным, к-рые могут быть сфокусированы до десятых и сотых
долей мкм. В этом случае минимальный размер элемента будет определяться
диаметром электронного луча. Механич. обработка ПП пластин должна осуществляться
по 14-му классу чистоты обработки поверхности, с отклонениями от плоскости
(плоскостностью), не превышающими 1 мкм. Особые требования выдвигаются
также и по отношению к термич. оборудованию: точность установки и поддержания
темп-ры на уровне 1000-1300 °С должна быть не хуже ±0,5 °С.
Рис. 3. Участок цеха, в котором производится
чистая сборка полупроводниковых приборов.
Очень жёсткие требования предъявляются
к условиям производства изделий П. э. Газовая среда, в к-рой проходят нек
рые, наиболее важные технологич. процессы, должна подвергаться тщательной
осушке и обеспы-ливанию. Содержание в ней влаги измеряется долями процента
и оценивается по темп-ре газа, при к-рой наступает конденсация влаги (по
точке росы). Если в цеховой атмосфере поддерживается т. н. комфортная влажность
(соответствующая относит, влажности 50-60% ), то в спец. боксы (скафандры),
в к-рых осуществляется, напр., сборка изделий (рис. 3), подаётся воздух,
азот или аргон, осушенный до точки росы, равной -(50-70) °С. Один из наиболее
серьёзных врагов ПП произ-ва - пыль. Одна пылинка размером в неск. мкм,
попавшая
на поверхность пластины в ходе процессов фотолитографии,
почти всегда
приводит к неисправимому браку. В зависимости от сложности изделия и нек-рых
др. требований запылённость воздуха на рабочем месте возле обрабатываемой
ПП пластины должна составлять не более 4000 пылинок на м3.
Столь
низкий уровень запылённости обеспечивается оборудованием внутри цехов т.
н. чистых комнат, доступ в к-рые разрешается только огранич. кругу лиц.
Персонал, работающий в чистых комнатах, переодевается в спец. одежду и
проходит к рабочему месту через герметичные шлюзы, где производится обдув
одежды и удаление пыли. В чистых комнатах до 300 раз в час совершается
полный обмен воздуха с пропусканием его через соответствующие фильтры.
Совершенно обязательно соблюдение персоналом требований личной гигиены:
регулярное и тщательное мытьё рук, ношение специальной одежды, перчаток,
шапочек и косынок и т. д. Все эти меры являются совершенно необходимым
условием для обеспечения высоких экономических показателей и качества выпускаемой
продукции, в том числе надёжности изделий.
Совершенствование радиоэлектронной аппаратуры
(на
базе достижений П. э.). Считается, что аппаратура на электронных лампах
- это первое поколение электронной аппаратуры, на дискретных ПП приборах
- второе поколение, на интегральных микросхемах - третье поколение. Появление
плоскостных диодов и транзисторов дало возможность перейти к замене электровакуумных
приборов полупроводниковыми. Это позволило в десятки раз уменьшить массу
и габариты аппаратуры, понизить потребляемую ею мощность, повысить надёжность
её работы. Практич. пределом миниатюризации электронной аппаратуры с помощью
дискретных элементов стала микромодульная конструкция (см. Микромодулъ).
Дальнейшее
уменьшение габаритов аппаратуры путём уменьшения размеров дискретных деталей
и элементов привело бы к значит. росту трудоёмкости сборки и, что особенно
опасно, к резкому снижению надёжности аппаратуры за счёт ошибок и недостаточно
высокого качества соединений. Переход к интегральной микроэлектронике явился
качеств, скачком, открывшим возможность дальнейшего уменьшения габаритов
и повышения надёжности электронного оборудования; появилась возможность
включать в состав интегральной микросхемы различные электропреобразовательные
приборы, приборы оптоэлектраники,
акустоэлект-роники и приборы др.
классов.
Новые принципы изготовления электронных
устройств, развившиеся, с одной стороны, из техники печатного монтажа
(гибридные
интегральные микросхемы) и, с др. стороны, из техники группового изготовления
мн. элементов на одном кристалле (монолитные или ПП интегральные микросхемы),
увеличили эквивалентную плотность упаковки элементов (транзисторов, диодов,
резисторов) до неск. тысяч и десятков тысяч элементов в см3.
Так
началась микроминиатюризация электронной аппаратуры. Интегральная микросхема
потребовала решения задач схемотехники. П. э. в своём развитии вступила
в фазу микроэлектроники.
Развитие микроэлектроники характеризуется
быстро нарастающим уровнем интеграции: от неск. эквивалентных диодов и
транзисторов в одном корпусе к изготовлению больших (БИС) и сверхбольших
(СБИС) интегральных микросхем. Число функциональных элементов в них может
составлять неск. тысяч и даже неск. десятков тысяч (рис. 4). Т. н. многокристальные
СБИС могут объединять в одном корпусе неск. кристаллов БИС и дискретных
бескорпусных диодов и транзисторов, образующих, напр., всю электронную
часть вычислит, машины, включая и электронную память. При создании таких
сложных устройств электронной техники приходится решать уже не только схемотехнич.
задачи, но и задачи системотехники. Увеличение степени интеграции
привело к реализации тех или иных свойств, присущих дискретным приборам,
напр. усилительных (как у транзистора), выпрямляющих (как у диода), в объёмах
кристалла, имеющих размер всего лишь неск. десятков или сотен межатомных
расстояний. Намечается переход к использованию свойств, распределённых
по объёму кристалла, т. е. переход от интеграции электронных приборов с
функциями, сосредоточенными в к.-л. объёме, к интеграции функций, распределённых
по всему объёму кристалла. Так зарождается четвёртое поколение электронной
аппаратуры.
Рис. 4. Большая интегральная микросхема
для электронных часов. В кристалле кремния с активной площадью около 3
мм2создано
1438 п- и р-канальных полевых транзисторов, образующих посредством двухслойной
системы связей микро-ЭВМ, к-рая ведёт отсчёт текущего времени суток (секунд,
минут, часов), дней недели, дат; расходуемая мощность не более 10 мквт.
Продукция П. э. Номенклатура ПП
приборов исключительно широка, она насчитывает десятки тыс. типов приборов,
в основном кремниевых. Мировая промышленность выпускает (1974) св. 10 млрд.
дискретных ПП приборов и более 1 млрд. интегральных микросхем в год. Развитие
микроэлектроники не отразилось существ, образом на темпах роста выпуска
дискретных ПП приборов; потребность в них, по-видимому, будет сохраняться
ещё длит, время. Появление разнообразнейших ПП приборов позволило осуществить
сложные, зачастую принципиально новые электронные устройства и создать
самостоят, отрасль электронной промышленности - пром-сть, производящую
дискретные ПП приборы и интегральные микросхемы.
Выпускаемые пром-стью изделия П. э. характеризуются
высокими эксплуатац. свойствами: они могут работать в диапазоне темп-р
от -60 до +200 °С, выдерживать значит, механич. и климатич. нагрузки (вибрации,
удары, постоянные ускорения, циклич. изменения температуры, воздействие
влаги и т. д.); они характеризуются интенсивностью отказов 10-6-10-9
отказа в час в реальных условиях эксплуатации.
Перспективы развития. Развитие П.
э. происходит в направлении быстрого возрастания степени интеграции, к-рая
часто достигает 10-20 тыс. ПП приборов на одном кристалле (1975), а также
в направлении повышения мощности и частоты электромагнитных колебаний,
преобразуемых в одном ПП приборе (до сотен вт и десятков Ггц),
в
т. ч. создания ПП генераторов и усилителей миллиметрового диапазона. Наряду
с интеграцией большого числа сходных приборов развивается также интеграция
в одной микросхеме приборов, использующих различные физ. принципы. При
этом, помимо физ. процессов в полупроводниках, используют процессы в диэлектриках,
сверхпроводниках (напр., Джозефсона эффект), магнитных плёнках и
т. д. ПП элементы, напр. холодные катоды с полупроводниковыми гетеропереходами,
ПП
аноды с р - n-переходом, в к-ром происходит умножение тока, матричные
мишени видиконов, содержащие 0,5-1 млн. фотодиодов, проникают также
в вакуумную электронику, позволяя существенно усовершенствовать нек-рые
типы электровакуумных приборов.
Лит.: Иоффе А. Ф., Физика полупроводников,
[2 изд.], М.-Л., 1957; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов,
М., 1970; Интегральные схемы, пер. с англ., М., 1970; Пасынков В. В., Чирки
н Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973; Кремниевые
планарные транзисторы, под ред. Я. А. Федотова, М., 1973.
А. И. Шокин.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я