Получение навыков количественных оценок эффектов и явлений в структуре полупроводников и интегральных микросхем

Лекция №1

В курсе “Физические основы микроэлектроники” предусматривается получение навыков количественных оценок эффектов и явлений в структуре полупроводников и интегральных микросхем, достаточных для оптимизации технических решений на стадии а стадии проектирования и производства интегральных микросхем.

Интегральные микросхем появляются в конце 60-х годов на базе планарной технологии изготовления транзисторов. В результате усовершенствования технологии, а именно создания оборудования нового поколения, появляется возможность изготовления на отдельном кристалле в рамках групповой технологии воспроизводить одновременно всю совокупность элементов и соединений, образующих законченный функциональный узел.

В первой половине 70-х годов реализовывались простые устройства, содержащие десятки элементов.

Параллельно с технологией развивалась интегральная схемотехника: цифровая и аналоговая. Цифровая техника строилась на однотипных элементах: триггерах, сумматорах, дешифраторах, регистрах, счетчиках, созданных на основе транзисторно-транзисторной логики, эмиттерно-связанной логике и т.д. В конечном итоге промышленность столкнулась с большим числом номиналов микросхем. Выходом из  сложившейся ситуации явилось повышение степени интеграции элементов (от 100 до 1000 элементов в узле), а значит, сокращение геометрических размеров элементов, путём совершенствования технологии.

К началу 80-х годов появляются интегральные микросхемы повышенной степени интеграции с размерами функциональных узлов около 4-5 мкм. Соединения теперь подводятся к кристаллу, то есть происходит качественное изменение, и, как следствие, выпускаются большие интегральные микросхемы – БИМ.

Постепенно схемотехника переходит в область дискретной математики (таблицы кодирования). Параллельно развивалась аналоговая интегральная электроника.

По мере совершенствования технологии аналоговая схемотехника и микроэлектроника достигли такого рубежа, когда в одном кристалле можно создать сложные узлы: приёмники АМ, телеприёмники.

В цифровой технологии выполнены мощные процессоры (100 тысяч элементов).

Возникает проблема взаимодействия элементов в очень малом объёме. Таким образом, современные электронные технологии, выполненные на базе интегральной технологии, способны выполнять большие объёмы задач, но для её создания требуются большие объёмы исследований.

При минимизации размеров элементов структуры микросхем доводят до уровня, когда однородность электрических полей не обеспечивается. Теоретические модели электромагнитных процессов перестают действовать. Процессы и задачи становятся принципиально нелинейными и базовые закономерности обработки электрических сигналов как носителей информации можно исследовать только методами компьютерного моделирования.

Лекция №2

Разделы курса:

1.  Классическая теория электропроводности твёрдых тел.

2.  Элементы квантовой механики (волновые свойства частиц, корпус-кулярно-волновой дуализм).

3.  Элементы квантовой статистики (распределение Ферми-Дирака).

4.  Основы зонной теории твёрдых тел.

5.  Физика полупроводников.

6.  Статистика электронов и нуклонов в полупроводниках.

7.  Рекомбинация и генерация носителей в полупроводниках.

8.  Уравнения баланса носителей в полупроводниках (уравнение непрерывности).

9.  Физика p-n переходов.

10.Контакт металл-полупроводник.

11.Физика транзисторов.

Основные положения теории Зоммерфельда

Корпускулярно-волновой дуализм

Объектом изучения являются электроны в структуре твёрдого тела. Цель – объяснение свойств микрочастиц, устранив несовершенство классического представления и на этой основе определение энергетического спектра электронов в твёрдом теле.

Подходы:

Определение волновых характеристик корпускулярной частицы, раскрыв сущность корпускулярно-волнового дуализма. Волновое описание понадобилось для того, чтобы определить существование её в некоторой ограниченной области в виде возможных значений энергии, которые она может принимать.

Микрочастицы в классическом варианте.

Пусть электрон движется в свободном пространстве.

Энергия такой частицы:

;

количество движения .

Рассмотрим волновой процесс.

с – скорость света,

l - длина волны,

u - частота,

w = 2pu - круговая частота.

.

Рассмотрим фотон: электро-магнитное колебание с определённой частотой, зависящей от частоты.

Энергия фотона:

.

Масса фотона:

.

Импульс:

, следовательно,

.

Приведённое соотношение устанавливает связь между массой и скоростью движения частицы, то есть её кинетической энергией с одной стороны и длиной волны, которая адекватно отражает процесс переноса частицы, с другой.

Исходя из существования представлений о знаниях энергии движущейся микрочастицы, установлена связь между её энергетическими характеристиками (m, v, p, W) и длиной волны колебательного процесса.

Пусть существует источник колебаний с энергией Y:

 -

-колебательный процесс в точке, где существует источник.