Физические основы микроэлектроники: Учебное пособие

Введение

Советская энциклопедия определяет электронику как «науку о процессах в приборах, основанных на движении электронов в вакууме, газе или полупроводнике; область технологии, занимающаяся разработкой, производством и применением этих приборов». Исходя из этого определения, данного самым авторитетным до сих пор справочным изданием России, для осмысленной работы в области электроники и микроэлектроники необходимо изучать процессы, происходящие при взаимодействии электронов (а в общем виде вообще заряженных и нейтральных частиц) с веществом, находящемся в любом из известных агрегатных состояний, основы физики твердого тела и физической химии, физики плазмы и многого другого и при этом уметь применять все эти знания на практике для создания реально существующих и реально действующих приборов.

До 1948 года основным прибором электроники являлась электронная лампа - усилительный прибор, основанный на использовании процессов, связанных с движением электронов в вакууме. При всех своих несомненных и до сих пор не превзойденных достоинствах электронные лампы обладают одним существенным недостатком - большими размерами. Хотя последние изыскания в области вакуумной электроники возможно смогут его преодолеть. Тем не менее в 1948 г. Бардин, Браттейн и Шокли изобрели транзистор и началась эра твердотельной электроники, следствием чего стало развитие микроэлектроники и наноэлектроники, добившихся в короткий срок весьма впечатляющих результатов. В качестве иллюстрации сравним параметры первой в мире электронно-вычислительной машины ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданной гением кибернетики Джоном фон Нейманом в 1942 г., использовавшей электронные лампы и существовавшей в единственном экземпляре, и стандартного серийного калькулятора фирмы Хьюлетт-Паккард, выпущенного в 1977 г.

            В этой таблице не приведен еще один очень важный параметр - надежность или время наработки на отказ. Для ENIACа оно составляет примерно полтора часа работы. После чего одна из 18000 электронных ламп благополучно перегорала и ее приходилось заменять. Время наработки на отказ калькулятора обычно превышает срок, за который он морально устаревает.

            Успехи в развитии микроэлектроники привели к тому, что разрыв в параметрах современной микроэлектронной продукции и продукции 70-х годов еще более впечатляет. В 1958 г. Килби и Нойс впервые создали электронную схему на одном кристалле и если размеры элементов первых микросхем составляли десятки микрон, то на 1998 г. ведущие фирмы США объявили технологическим стандартом размер элемента