Лекции — викладач Григор'єв Володимир Калистратович

ЛЕКЦІЯ 1.

Історичний обзор

Що таке електроніка? — Це передача, прийом, обробка і збереження інформації з допомогою електричних зарядів. Це наука, технічні прийоми, промышленность.

Що ж до інформації, то завжди, коли було людство, це все було. Людське мислення, говірка, вузлики напам’ять, сигнальні вогнища, семафорный телеграф тощо. — це прийом, передача, обробка і зберігання інформації. І це були незгірш від ніж 5000 років. Але тільки недавно, наприкінці 18 століття, винайшли телефон і телеграф — устрою для передачі й прийому інформації з допомогою електричних сигналів. Це — початок електроніки, як зараз называется.

Далі електроніка досить швидко розвивається. У 1895 р. Попов винайшов та побудував діючу модель радіо — електронне пристрій для бездротового передачі - грозоотметчик. Герц провів досліди по поширенню радіохвиль, Марконі розвинув і застосував ці досліди для побудови радіо з передавальної радіостанції за довжиною хвилі излучения.

Та на початку був хорошого усилительного елемента для електричних пристроїв. Тому справжнє розвиток електроніки почалося з 1904 р., коли була винайдено радиолампа — діод, а 1907 р. — триод. Вони такі, як показано на рис. Зліва зображено радиолампа — діод, що складається з герметичного балона, а всередині балона — вакуум і кілька металевих конструкцій з виведеними назовні електродами. Один із них — нитку напруження, по ній пропускається електричний струм, який нагріває її до температури в 700−2300 оС. Ця нитку розігріває катод, якого підводиться негативне напруга, і катод випускає електрони. До аноду підводиться позитивне напруга, різницю потенціалів досить висока (100−300 У), і тому електрони, вылетевшие з катода, полетять до аноду, і отже, в лампі потечёт струм. При зміні знака напруги електрони з холодного анода вилітати ні, катма й струму. Тому діод може втілювати випрямляча змінного напряжения.

На правом рис. зображено радиолампа — триод. У ньому все теж, як і в діода, але є додатковий електрод — управляюча сітка. Зазвичай на сітку подається негативний потенціал, і її відштовхує вылетевшие з катода електрони. Тому що більш негативний потенціал сітки, тим менше електронів протечёт від катода до аноду. Отже, потенціал сітки служить керувати струмом в радиолампе. Зазвичай сітка в лампі розташована до катоду Андрійовича значно ближча, ніж анод, тому малими потенціалами сітки можна управляти великими струмами лампи. Якщо напруга до аноду подається через велике опір, те й потенціали на аноді змінюватимуться сильніше, ніж на сітці. Це хороша електронний підсилювач напряжений.

Радіолампи пройшли дуже великі шлях розвитку. З’явилися більш скоєні тетроды і пентоды — лампи з чотирма і п’ятьма електродами, які мають великими коефіцієнтами посилення. Стали робити складніші радіолампи: з більш як п’ятьма електродами. У тому числі найбільше торгівлі поширення набули здвоєні радіолампи: здвоєні діоди, триоды, диод-триоды тощо. З’явилися газонаполненные лампи — газотроны. Вони є газ, щоправда, під невеликим тиском. Звичайно іонізується, з’являються іони — атоми без електрона, тобто. мають позитивного заряду. Перебіг струму в лампах складніше: може бути як електронним, і іонним. Розміри радіоламп були дуже різними: від мініатюрних пальчикових до величезних у ріст человека.

Винахід тріода відкрило великі можливості розвитку електроніки. Світове кількість випущених радіоламп виросло до другої світової війни до багатьох штук на рік. Були винайдено і створено багато пристрої з прийому і передачі інформації. Телефон і телеграф, радіоприймачі і радіопередавачі. Замість патефонів з’явилися програвачі платівок, з’явилися магнітофони. Почали розроблятися телевизоры.

Але це все тільки п’яту частину завдань електроніки — прийом, передача і зберігання інформації. Де ж обробка інформації, найважливіша, складна й цікава її частка? Вочевидь, що її може робити не тільки обчислювальне устройство.

На початку Другої світової війни вже з’явилися електронні арифмометри — оброблювачі цифрової інформації. Та — справжнє розвиток області електроніки почалося від виникнення електронних обчислювальних машин (ЕОМ). Воно почалося 1948 року — США була перша ЕОМ на радіолампах — ЭНИАК. Ось лише деякі її параметри: |Кількість радіоламп |18 000 прим | |У ін. елементів |100 000 прим | |Вага |30 т | |Площа |100 м2 | |Рассеиваемая потужність |100 кВт | |Швидкодія |10 000 гц |.

Як очевидно з цієї таблиці - цю грандіозну споруду. І він мало усіма характерними рисами сучасної ЕОМ: пам’ять, яка містила дані і програму їх опрацювання, арифметическое-логическое пристрій, зв’язку з зовнішніми пристроями. Але, звісно, в неї ще був і багато недоліків. У порівняні з сучасним рівнем техніки, ця ЕОМ менше складне, ніж простий калькулятор, особливо коли може програмуватися. Але з вазі (30 т проти 50 р), по займаній площі, по розсіюваною потужності сучасні калькулятори її істотно перевершують. Особливо важливим є, що й швидкодія не меншим 1 МГц, тобто. на 100 разів більше, ніж в першої ЭВМ.

Але значно більше важливим є термін їхньої служби першої ЕОМ. У основному воно визначався терміном служби радіолампи. Його визначається інтенсивністю отказов.

(= 10−5 ч-1 Тобто. зі ста 000 радіоламп одна відмовить під час 1 годину. Або інакше кажучи, термін їхньої служби однієї радіолампи равен.

Т = 1/(= 105 год Це забагато. Справді, якщо вважати, що у сутках приблизно на 25 год, то це 4 000 днів, приблизно 12 років вщерть. Це неплохо.

Але коли його замість 5−20 радіоламп одночасно мають працювати 18 000 радіоламп, ситуація різко змінюється. Усі радіолампи служать 12 років, але ламаються випадково, будь-якої миті часу. І вихід хоч однієї радіолампи з експлуатації призводить до виходу всього устрою. І тут для всього устрою можна записать:

(общ = N * (= 18 000 * 10−5 = 0,18 ч-1 А термін їхньої служби всього устрою равен.

Т общ = 5 год Тобто. термін їхньої служби ЭНИАКа лише п’ять год! У середньому через щоп’ять год якась радиолампа виходила з експлуатації. Знайти з 18 000 радіоламп неработающую негараздто просто. А, як знайдено, треба замінити, і започаткувати перевірку ЕОМ на працездатність. Все це йшов ще майже п’ять ч.

Але нам до треба робити складніші ЕОМ. Якщо ми усложним її отож у ній буде зацікавлений у 10 разів більше радіоламп, термін їхньої служби зменшиться удесятеро, тобто. дорівнюватиме 0,5 год. На ремонт йтиме ще більше часу. Це — катастрофа количеств.

Все розвиток електроніки пов’язані з боротьбу з катастрофою кількостей. І тому треба було понизити інтенсивність відмов радіолампи. Але радиолампа — складне пристрій. По-перше, всередині неї глибокий вакуум, коли він загубиться, анодный струм радіолампи знизиться через зіткнень електронів з атомами повітря і з іонами, получившимися внаслідок цих сутичок. Сітка лампи — це дротова спіраль, яка намотана навколо катода. Вона слабка, не витримує перевантажень, вібрацій. Нитка напруження нагріта до високої температури, тому випускає як електрони, а й значна частина атомів, тобто. нитку постійно випаровується. Усунути всі ці вади суспільства і підвищити термін їхньої служби не удалось.

І ось 1948 р. винайшли транзистор. Він був оскільки показано на рис.

Він набагато краще радіолампи: менше, легше, немає волоски розжарення ще. Розміри їх довше міліметра. Це цілісний шматок напівпровідника, дуже міцного кристала, за міцністю не поступався стали чи чавуну. Тому в транзистора інтенсивність відмов менше, приблизно (= 10−7 год -1 .

Транзистори нас дуже швидко завоювали ринок збуту. Вже 1949 р. США зробили першу транзисторную ЕОМ, аналогічну ЭНИАКу — тобто. за рік після винаходи транзистора. Для ілюстрації цього наведемо цитату журналу «Наука життя й », 1986, № 2, з. 90: " … якщо вести відлік від перших машин, то сьогодні обсяги внутрішньої пам’яті ЕОМ збільшився у в сотні разів, а швидкодія — на сотні тисяч разів, в тисячі раз зменшилося споживання, і знизилася вартість. Фахівці прикинули, якби такими темпами прогресувало автомобілебудування, то машина класу «Волги «рухалася б хіба що зі швидкістю світла, споживала трохи грамів бензину на сотню кілометрів і коштувала б кілька рублів ». Однак це було 15 років назад!

Подивимося докладніше, чого ж був изобретён транзистор? Виявляється, його винайшли, досліджуючи вплив двох р-п переходів (напівпровідникових діодів) друг на друга, розташованих на дуже малому відстані. (Це показано на рис.).

Дві металеві дуже гострі голки поміщалися лежить на поверхні германію (напівпровідник) на малому відстані друг від одного й потім прижигались (пропускався сильний струм на.

короткий час). У цьому відбувався розігрів напівпровідника, метал частково розчинявся в полупроводнике, і диффундировал всередину його. Метал підбирався в такий спосіб, що його атоми створювали електронний напівпровідник (п-тип). Отже виходили два р-п переходу. Оскільки вони були дуже близькі, то вступали у взаємодія, і виходив транзистор.

Перші транзистори і виготовлялися, і це технологія називалася точкової. Очевидні недоліки її. Річ у тім, що у теорії транзисторів відстань між р-п переходами має бути значно менше дифузійної довжини (що це таке, ми скажімо у таких лекціях), а вона дуже маленька, лежать у межах від одиниць до десятків мікрометрів (зазвичай кажуть мікронів). Розташувати дві голочки таким близьким неможливо — мікрон значно менше товщини за людську волосину (приблизно 50 мкм).

Не виключено, що відстань між голками можна з завтовшки за людську волосину та приблизно одно 0,1 мм, чи 100 мкм. Далі потрібно пропустити іскру електричного розряду через голочки, те щоб сталися плавлення, розчинення і дифузія металу. Процес важко воспроизводимый. Тож багато хто транзистори, виготовлені за цієї технології, виявлялися бракованими: то р-п переходи зливалися, то відстань з-поміж них була завеликою. А сам коефіцієнт посилення транзистора узагалі був випадкової величиной.

Треба було вдосконалення технології виготовлення транзисторів. Перший кроком у цьому напрямку отримано, коли крапкову технологію замінили на сплавную (див. рис.). Тут зображено основна конструкція, застосована цьому методі: дві графітові пластини з невеликими ямками для алюмінію оточують з обох сторін пластину германію з електронною електропровідністю (п-типа). Ця конструкція міститься у піч із високим температурою (600−800оС). Аллюминий розплавляється і дифундує в германій. Коли дифузія пройшла досить велику глибину, процес припиняють. Аллюминий є акцептором, тобто. там, де пройшла дифузія, германій став полупроводником з дырочной електропровідністю (р-типа). Відбувається це так:

Тепер потрібно лише розрізати отриману пластину на шматочки, містять по три різних типи електропровідності (транзистори), посадити до корпусу і припаяти кристал до ніжок — транзистор готов.

Сплавні транзистори набагато краще точкових: більш керований процес дифузії, просто підтримується стала температура в печі і регулюється час дифузії. Точкова технологія була витіснена сплавной.

Проте в сплавний технології є певні недоліки, до основним їх те, що дифузія здійснюється з різних сторін. Товщина пластини може бути менше 0,5…1 мм, бо інакше він стане гнучкою, буде згортатися, і не можна вважатиме, що пластина пласка. Отже, товщина, яку потрібно здійснити дифузію, принаймні 250 мкм, товщина бази 1…5 мкм, і її потрібно зробити точно (з точністю буде не гірший 1 мкм). У результаті потрібно зробити дифузію на глибину 250 мкм з точністю буде не гірший 1 мкм. Це важко осуществимо.

Поступово під час розробки технології виготовлення транзисторів дійшли дифузійної технології, основу якої лежить фотолитография.

Коротко опишемо фотолитографию. Її завданням є створення на поверхні кремнію (він найкраще адресований фотолитографии) маски для дифузії, що потім здійснюватиметься локально. Ця маска повинна витримувати дуже високих температур (1200…13 000С). З цією метою годиться оксид кремнію, який досить легко шляхом окислення самого кремнію при високих температур в парах води та в кисні. Його товщина порядки 1 мкм, і цього досить, аби дати атомам домішки продиффундировать в напівпровідник. Однак у потрібних місцях в диоксиде кремнію роблять отвори (вікна), які й визначати, де пройде локальна диффузия.

Для виготовлення вікон зазвичай використовують фоторезист — це практично фотоемульсія, яка має особливими свойствами:

1. Вона має витримувати травлення плавикової кислотою (звичайна фотоемульсія не витримує), що необхідно при витравлення вікон в диоксиде кремния.

2. Вона має високий дозволом (понад тисячу ліній на мм, чи менее.

1 мкм).

3. Вона має низькою в’язкістю, у тому, щоб могла розтектися до шару завтовшки 1 мкм (інакше високого дозволу не получить).

4. Вона вразлива щодо опроміненню світлом в ультрафіолетової области.

(довжина хвилі світла становить 0,3 мкм).

Так багато особливостей може мати не лише особливе речовина. Це пластмаса, що під дією світла руйнується, чи, навпаки, під дією світла утворюється. Таких речовин знайдено багато. Це — фоторезисты.

Отже, у процесі фотолитографии, ми можемо створити тонкий шар діоксиду кремнію (кремній, полупроводнике), потім завдати дуже тонке шар фоторезиста, далі через фотошаблон (особлива табличка, де є багато заздалегідь розрахованих і виготовлених темних і світлих місць) висвітлити її ультрафіолетовим світлом, потім проявити, т-є видалити освітлені місця (навпаки неосвещённые), далі можна видалити через вікна в фоторезисте діоксид кремнію (травлення в плавикової кислоті) і видалити сам фоторезист, оскільки його залишки можуть завадити при высокотемпературном процесі диффузии.

Нині можна виробляти дифузію з одного стороны:

А отже, легше зробити точно регульований тонкий базовий шар: робимо дифузію на глибину приблизно 5…6 мкм, потім другу дифузію на 3.4 мкм. База приблизно 2 мкм. Глибина дифузії і товщина бази сумірні з, отже, можна зробити точно (а загальна товщина пластини може бути будь-якою, наприклад 1 мм). Пластину (як сьогодні називати в електроніці «чіп ») можна розрізати деякі транзистори, перевірити кожен транзистор, і актори гарні транзистори можна посадити в корпус.

Чому ті ж лише фотолітографія дозволила покінчити з проблемою точного завдання товщини бази? Річ у тім, що й товщина бази менше 5 мкм (0,1 товщини волосу), то просто неможливо було створити контакт до такої області. На разі виготовлення локальних эмиттерных областей цей контакт можна зробити згори там, де немає эмиттера — це то, можливо набагато більша площадь.

Тому розвиток фотолитографии і локальної дифузії призвело до загальному визнанню дифузійної технології виготовлення транзисторов.

У 60−70 рр. поширилася транзисторная ЕОМ БЭСМ-6. Але вона теж працювала приблизно 1−2 діб, і виходила з експлуатації. Треба було 1−2 діб ремонтувати. Що ж далі? Треба підвищувати надійність транзистора. І це проблема була решена!

Кожен транзистора три контакту, здійснювані припайкой золотих зволікань. 3 пайки до кристалу, 3 пайки до ніжок корпусу, 3 пайки у схемі, де транзистор використовується — всього 9. У МДП-транзисторов 4 контакту, отже всього 12 паек.

Хіба, а то й розрізати пластину деякі транзистори, а відразу використовувати в схемою? Ідея приваблива, можна, по крайнього заходу, в 3 разу зменшити кількість контактов.

Але є проблема — все транзистори будуть закорочены по коллектору і базі. Отже, їх треба ізолювати друг від друга. І це проблема була вирішена, і одним способом!

Розглянемо ізоляцію р-п переходом. Спочатку роблять кишені: наприклад, у р-типе створюють дифузією п-области:

Припустимо, що кишенями є напруга, наприклад, таке, що правий кишеню має позитивний потенціал. Тоді правий р-п перехід смещён у напрямі, і струму немає. Нехай, навпаки, правий кишеню має негативний потенціал — тоді лівий кишеню смещён у протилежному напрямі, і струму знову нет.

Тепер у кожній кишені можна зробити транзистор, і він ізольований від других.

Є ще одне питання. При кожної дифузії потрібно передиффундировать той шар, який був — т-є концентрація носіїв більша, аніж у попередньому шарі. Отже, найменша концентрація маєш бути у пластині, в кишенях більша за діаметром, кишені можуть втілювати колекторів, далі створюється базова область, у ній концентрація носіїв ще більше, ніж у коллекторной області, потім ми проводимо эмиттерную область, у ній найбільша концентрація носіїв заряду. Але це що означає, що опір коллекторной області найбільше, і тому велике RC — велика стала часу, транзистори працюють надто повільно. Для підвищення швидкодії транзисторів потрібно зробити дно якої кишені тонкий шар високої концентрацією носіїв заряду. Проблема також було вирішено за допомогою эпитаксиального нарощування шарів — нарощування шарів з тієї ж кристалічною орієнтацією, як і в підкладки. Це — эпитаксия. Можемо наростити тонкий шар монокристала, але з іншого концентрацією носіїв заряда.

Тепер повний цикл виготовлення мікросхеми (інтегральної схеми) така, як показано на рис. нижче. 1. У першому етапі роблять локальну дифузію донорів, причому сильну — до створення прихованого шару. 2. З другого краю етапі роблять эпитаксию — нарощують эпитаксиальный шар низькою концентрацією електронів (електронів більше, ніж дірок). 3. На етапі проводять локальну дифузію акцепторів потреби ділити на кишені. 4. Далі знову проводять дифузію акцепторів до створення базових областей. 5. Тепер потрібно зробити эмиттеры, отже локальна дифузія донорів. Заодно роблять підготовку гарного контакту до коллекторной області - всередині колектора сильно легована область. 6. І, насамкінець, захищають всю поверхню кремнію оксидом кремнію, роблять вибір на ньому вікна для контактів до транзисторам, потім напыляют метал. Далі зайвий метал удаляют.

Далі потрібно розділити пластину деякі мікросхеми, зміцнити в корпус, припаяти контакты.

Виявляється, інтенсивність відмов мікросхеми не визначається напівпровідникової структурою, а основному залежить від кількості контактів. Тому інтенсивність відмов мікросхеми теж приблизно 10−7 ч-1. На однієї мікросхемі можна зробити багато транзисторів. Нині їх кількість може перевищувати миллион.

У схемах зазвичай багато інші елементи. Як кажуть їхні сделать?

Як діода зазвичай використовують транзистор, в якого немає эмиттерной області, або в звичайного транзистора закорачивают один р-п переход.

Як резистора використовують базову чи коллекторную область, але її потрібно зробити потрібної довжини і ширини, і до неї роблять 2 контакта.

Як конденсатора використовують паразитную ёмкость р-п переходу, чи роблять конденсатор з диоксидом кремнію як диэлектрика.

Індуктивності, зазвичай, в мікроелектронної технології не делают.

Але є межі у мікроелектроніки. Не дуже вдається збільшувати число транзисторів, оскільки вони теж мають обмеження зменшення розмірів. Площа кристала також вдається увеличивать.

І тут є якась надія, що перспективу дасть функціональна електроніка — це електроніка, у якій прості функції транзистора замінюються складнішими функціями, мають його присутність серед різних кристалах — напівпровідникових, сегнетоэлетрических, магнето-электрических й дуже далее.

———————————- [pic].

[pic].

[pic].

[pic].

[pic].

[pic].

[pic].

[pic].