История развития микроэлектроники

      ПЛАН

1. Естественно-научная концепции развития микроэлектронных                       

  технологий

      2. Развитие твердотельной электроники

      3. Истоки современной микроэлектронной технологии

         4. Повышение степени интеграции и новые технологии

         5. Перспективы развития микроэлектроники 

     1. Естественно-научная концепции развития микроэлектронных технологий

     Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и  о методах создания электронных  приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых для  передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале ХХ века. На ее основе были созданы электровакуумные приборы.

     С начала 50-х годов интенсивно развивается  твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая. В начале 60-х годов возникла микроэлектроника - наиболее перспективное направление  электроники, связанное с созданием  приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой  технологии их изготовления. Возникновение  микроэлектроники вызвано непрерывным  усложнением функций и расширением  областей применения электронной аппаратуры, что требовало уменьшения ее габаритов  и массы, повышения быстродействия и надежности.

     Основу  электронной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие  заданные функции блоков и узлов  электронной аппаратуры, в которых  объединено большое число микроминиатюрных элементов и электрических соединений, изготовляемых в едином технологическом  процессе. Микроэлектроника развивается  в направлении уменьшения размеров содержащихся в интегральной схеме  элементов (до 0,1-1,0 мкм), повышения степени  интеграции, плотности упаковки, а  также использования различных  по принципу действия приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, магниторезисторных и др.) В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию интегральных схем, размеры элементов которых определяются нанометрами, то есть постоянно набирает силу наноэлектроника - наиболее важное направление микроэлектроники, характеризующее современный этап развития естествознания.

     2. Развитие твердотельной электроники

     Еще в ХIХ веке выдающийся физик Фарадей столкнулся с первой загадкой - с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону. К тому времени было известно, что электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время А.С.Беккерель обнаружил, что при освещении "плохого" проводника светом возникает электродвижущая сила - фотоЭДС - вторая загадка.

     Кроме того было обнаружено изменение сопротивления  селеновых стержней под действием  света, что в определенной степени  подтвердило сущность второй загадки, связанной с фотоэлектрическими свойствами "плохих" проводников.

     В 1906 году физик К.Ф.Браун сделал важное открытие: переменный ток, проходя через  контакт свинца и пирита, не подчиняется  закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была 3-я физическая загадка.

     В 1879 г.  физик Холл открыл явление  возникновения электрического поля в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, направленное перпендикулярно  току. Электрическое поле возникало  и в полупроводниках. Предполагалось, что направление  данного поля определяют электроны и какие-то положительно заряженные частицы. Открытие Э.Холла - четвертая загадка "плохих"  проводников.

     Созданная Максвеллом теория электромагнитного  поля не объясняла ни одну из четырех  загадок. 

     В 1922 г. был создан генерирующий детектор, способный усиливать и генерировать электромагнитные колебания.  Основой  его служила контактная пара: металлическое  острие-полупроводник.

     В полупроводниковой электронике 4 загадки  оставались неразгаданными почти 100 лет.

     Исследовательские работы существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников. В верхней зоне - проходимости - находятся  свободные заряды. Нижняя зона, в  которой заряды связаны, валентная. Между ними - запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует, и оно относится к диэлектрикам. Если не велика, то электроны могут возбуждаться и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. На освободившихся от электронов местах образуются дырки, которые эквивалентны носителям положительного заряда.

     Выяснилось, что существуют полупроводники с  электронным типом проводимости (п-тип), для кот. Эффект Холла отрицателен, и с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые называются донорными, вторые - акцепторными.

     В результате многих экспериментов удалось  изготовить образец, включающий границу  перехода между двумя типами проводимости. И удалось разгадать все 4 загадки "плохих" проводников.

     3. Истоки современной микроэлектронной технологии

     К 1955 году была налажена технология изготовления транзисторов со сплавными и р-п-переходами. Потом появились разновидности сплавных транзисторов: дрейфовые и сплавные с диффузией.

     В конце 50-х годов была разработана  технология создания планарных транзисторов, конструкция которых имеет плоскую  структуру. Особенность этой технологии - возможность создания множества приборов на одной подложке. Такая технология открыла путь к групповой технологии производства транзисторов и его автоматизации.

     Развитие  дискретной полупроводниковой техники, возможность автоматизации производства привели к интеграции. В 1960 году был  предложен метод изготовления транзисторов  в тонком эпитаксиальном слое, выращенном на монокристаллической подложке. Таким  способом удавалось на прочной толстой  подложке создать транзисторы с  тонкой базой. Было предложено использовать транзисторы с тонкопленочными  проводниками в пределах одной пластины. Такие транзисторы получили название интегральных, а кристаллы стали  называть интегральными схемами.

     Таким образом, наряду с дискретной твердотельной  электроникой появилась интегральная электроника основанная на тонкопленочной групповой технологии.

     4. Повышение степени интеграции и новые технологии

    Быстрому  распространению интегральных схем способствовала хорошо отработанная технологическая база при групповом производстве транзисторов.

    Таким образом, с момента изобретения  транзистора до изготовления первых интегральных схем, поступивших на рынок, прошло чуть более 10 лет и далее последовало очень быстрое развитие микроэлектроники.

    В начале своего пути транзисторы применялись, главным образом, для военных целей, так же как, впрочем, и предшествовавшие им электронные лампы, и последующие за ними интегральные схемы. Кроме того, они способствовали развитию техники радиовещания и телевидения, а впоследствии и компьютерной техники уже для более широкого применения.

     Основная  продукция микроэлектроники  за последние десятилетия - разнообразные  интегральные схемы. Возможно 3 пути роста  интеграции.

     Первый  связан с уменьшением топологического  размера и соостветственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Второй - увеличение площади кристалла. Третий - оптимизация конструктивных приемов компоновки элементов.

     Характерные размеры элементов интегральных схем становятся близкими к микрометру. Переход к еще меньшим размерам элементов требует нового подхода. Пришлось отказаться от ряда технологических  операций. Фотографию заменили электронной, ионной и рентгеновской литографией; диффузионные процессы заменили ионной имплантацией и т.д. Появилась молекулярно-инженерная технология, позволяющая строить приборы атом за атомом. Использование лучевых методов совместно с вакуумной технологией позволяет получить приборы с размерами до 10-25 нм.

     Сфокусированные ионные потоки - инструмент, позволяющий  создавать принципиально новые  конструкции приборов. Рентгеновские  установки позволяют реализовать  тиражирование изображений с  размерами микроэлементов, недоступных  световой оптике.

     С развитием микроэлектроники происходит усложнение схем и уменьшение размеров рисунка (ширина линий 0,5 мкм).

     Сейчас  основной материал полупроводниковых  приборов - кремний. Переход к наноэлектронике заставляет обратиться и к другим материалам: арсениду галлия, фосфиду индия и т.д. Наноэлектроника позволяет создавать трехмерные - многослойные структуры. Развивается новое направление электроники - функциональная электроника. В первую очередь это оптоэлектроника (размеры структур до 100 нм - доли длин световых волн).

     Широким фронтом ведутся работы по использованию  длинных молекул в качестве элементов  микросхем.

     5. Перспективы развития микроэлектроники

     Основные  усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся  принципов создания ИМС, на улучшение  их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным  образом, в направлении повышения  быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение  этих проблем связывают с усовершенствованием  технологии получения   микроэлектронных структур минимально возможных размеров.

     Дальнейшее  развития микроэлектроники связано  с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое  направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами  в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных  материалах (магнетоэлектроника), электрические  неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных  структурах, явления живой природы  на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электроника) и др.

     ЛИТЕРАТУРА 

1. Батушев В. А. Электронные приборы. – М. , “Высшая школа” 1980. – 383с.
2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. –  2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1983. – 384 с.
3. Также при подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru